پروب pH چیست و چگونه کار می کند؟

پروب ph چیست؟

پروب pH شامل دو الکترود (یک الکترود حسگر و یک الکترود مرجع) برای اندازه‌گیری فعالیت یون هیدروژن در محلول است. تبادل یونی یک ولتاژ تولید می کند که توسط یک pH متر اندازه گیری می شود که ولتاژ را به مقدار PH قابل خواندن تبدیل می کند. این یک سنسور کیفیت آب است که سطح pH یک مایع را اندازه گیری می کند.

pH (پتانسیل هیدروژن) برهمکنش بین یون های هیدروژن و هیدروکسید را در یک محلول مبتنی بر آب اندازه گیری می کند. محلول هایی با مقادیر زیادی فعالیت یون هیدروژن اسید هستند. برعکس، محلولی با مقدار زیادی فعالیت یون هیدروکسید یک باز است.

استفاده از پروب‌های pH در اندازه‌گیری pH برای طیف وسیعی از صنایع مهم است، به همین دلیل است که سنسورهای مختلف pH برای کاربردهای مختلف وجود دارد. در ادامه خواهیم آموخت که پروب‌های PH چگونه کار می‌کنند، سنسورهای pH چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کنند و داخل یک پروب pH چه چیزی وجود دارد.

پروب های ph چگونه کار می کنند؟

روش معمول اندازه گیری pH محلول استفاده از کاغذ تورنسل است. بسته به نمودار pH بدون در نظر گرفتن محتوای یون هیدروژن، رنگ متفاوتی پیدا می کند، با این حال، pH متر باید از یک پروب pH برای اندازه گیری غلظت یون هیدروژن استفاده کند.

یک pH متر با اندازه گیری پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) تولید شده توسط محلول اندازه گیری شده و استفاده از اختلاف پتانسیل برای تعیین مقدار pH کار می کند. محلول های اسیدی دارای یون های هیدروژن با بار مثبت بیشتری نسبت به محلول های قلیایی هستند و بنابراین، محلول پتانسیل بیشتری برای تولید جریان دارد.

یک pH متر از سه جزء تشکیل شده است: خود pH متر (کویل متحرک یا سنج دیجیتال)، الکترود pH و پروب pH وارد شده در محلول مورد اندازه گیری.

بیشتر پروب های pH حاوی دو الکترود در بدن هستند: یک الکترود اندازه گیری (الکترود شیشه ای) و یک الکترود مرجع. الکترود شیشه ای حاوی الکترولیت مرجع (معمولا کلرید پتاسیم) است که دارای pH خنثی 7 است، بنابراین حاوی مقدار مشخصی یون هیدروژن است.

الکترود شیشه ای با اندازه گیری اختلاف pH بین الکترود pH و محلول مورد آزمایش کار می کند. الکترود این کار را با اندازه گیری اختلاف ولتاژ بین الکترود و یون های هیدروژن تولید شده در محلول انجام می دهد. این به راحتی حل می شود زیرا ما از قبل مقدار pH ترکیب الکترود شیشه ای را می دانیم.

پروب pH چه چیزی را اندازه گیری می کند؟

یک pH متر از یک پروب pH برای اندازه گیری اسیدیته یا قلیاییت (فعالیت یون هیدروژن) محلول استفاده می کند که به صورت مقدار pH بیان می شود. به pH یک محلول نسبت یون های هیدروژن در پروب pH و محلول در حال اندازه گیری مربوط می شود.

هنگامی که کاوشگر pH را در یک محلول غوطه ور می کنید، بسیاری از یون های هیدروژن به سمت الکترود شیشه ای حرکت می کنند و برخی از یون های فلزی داخل آن را جایگزین می کنند و برخی از یون های هیدروژن در محلول مورد اندازه گیری پراکنده می شوند. این فرآیند تبادل یونی، تبادل یونی نامیده می‌شود و اصل اصلی نحوه عملکرد الکترود شیشه‌ای داخل پروب pH است.

تبادل یونی نیز در سطح داخلی الکترود شیشه ای اتفاق می افتد. از آنجایی که اسیدیته کلرید پتاسیم داخل الکترود و محلول اندازه گیری شده متفاوت است، فعالیت یون های هیدروژن نیز متفاوت خواهد بود و در نتیجه در بار متفاوت خواهد بود. هنگامی که این اتفاق می افتد، یک اختلاف پتانسیل بین دو طرف الکترود شیشه ای و الکترود مرجع رخ می دهد، که PH را روی متر نشان می دهد.

اگرچه متر ولتاژ را اندازه گیری می کند، اما صفحه نمایش دیجیتال آن را به عنوان اندازه گیری pH نشان می دهد. این محاسبات را بر اساس اختلاف ولتاژ انجام می دهد. هر چه ولتاژ بین پروب pH (الکترود) و محلول اندازه گیری شده بیشتر باشد، تفاوت در فعالیت یون هیدروژن بیشتر است. هرچه فعالیت یون هیدروژن بیشتر باشد، مقدار pH کمتر است و بالعکس.

قبل از استفاده از pH متر، کالیبره کردن آن برای نتایج دقیق مهم است و بخش مهمی از نگهداری عمومی الکترود است. توصیه می کنیم توصیه های ما را برای کالیبراسیون پروب pH دنبال کنید تا همیشه مطمئن شوید که خوانش های pH شما قابل اعتماد هستند.

به منظور درک بیشتر در مورد عملکرد پروب pH، باید نحوه عملکرد الکترود pH داخل پروب pH را درک کنیم.

الکترود pH چگونه کار می کند؟

انواع مختلفی از الکترودهای pH برای کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی وجود دارد، با این حال، اکثر آنها از شیشه ساخته شده اند و بنابراین به راحتی می شکنند و نیاز به هیدراته شدن دارند. به همین دلیل است که ما هر کاوشگر pH را در یک بطری غوطه‌وری پلاستیکی با محلول ذخیره‌سازی پروب pH ارسال می‌کنیم.

اولین الکترود pH اختراع شده شامل یک لامپ شیشه ای پر از یک الکترولیت قوی و یک نیم سلول داخلی نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl) و یک سیم نقره در تماس با محلول خارجی بود.

اصل کار کلی الکترودهای pH تغییر چندانی نکرده است، اما با پیشرفت تکنولوژی، الکترودهای ترکیبی و اتصال دوگانه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

الکترودهای ترکیبی

الکترودهای ترکیبی دو طرف الکترود شیشه ای را اندازه می گیرند و رایج ترین پروب های pH هستند. پروب های pH به یک الکترود با مدار بسته نیاز دارند تا پتانسیل عبوری از محلول داخلی الکترود (مثلا کلرید پتاسیم)، محلول خارجی در حال اندازه گیری و تکمیل pH متر را اندازه گیری کند.

هنگامی که الکترود در محلول آزمایش غوطه ور می شود، بار مثبت یون هیدروژن را بر حسب میلی ولت (mV) تشخیص می دهد و سیگنالی را به الکترود داخلی ارسال می کند. سیم نقره ای داخل پروب pH سیگنال الکتریکی را به کابل الکترود متصل به pH متر منتقل می کند.

اجزای یک پروب pH

اکثر کاوشگرهای pH حاوی یک الکترود حساس به یون هیدروژن شیشه و یک الکترود مرجع به نام الکترود ترکیبی هستند. یک الکترود pH معمولی از چندین ساختار تشکیل شده است.

• بدنه الکترود
• غشای شیشه ای
• الکترود مرجع
• الکترولیت مرجع
• تقاطع مرجع

الکترودها

بدنه الکترود می‌تواند پلاستیکی یا شیشه‌ای باشد، بنابراین وقتی اصطلاح «الکترود شیشه‌ای» را می‌شنوید، به مواد غشایی اشاره دارد، نه بدنه الکترود خارجی.

Apure دو نوع اصلی کاوشگر pH را ارائه می دهد.

• پروب های pH درجه آزمایشگاهی: بدنه های اپوکسی اکسترود شده که آنها را در برابر اسیدها و بازهای قوی بسیار مقاوم می کند.
• پروب های pH صنعتی: بدنه حسگر آن را از نظر شیمیایی بی اثر و عملاً تخریب ناپذیر می کند.

غشای شیشه ای

غشای شیشه ای یک غشای حساس به pH پر از محلول بافر است که در داخل الکترود شیشه ای یک پروب pH قرار دارد.

غشاء اجازه می دهد تا یون های هیدروژن به طور مداوم در داخل غشاء متصل شوند در حالی که قسمت بیرونی غشای شیشه ای در معرض نمونه اندازه گیری قرار می گیرد. این تفاوت در یون های هیدروژن در سراسر غشا است که پتانسیل ولتاژ را تولید می کند.

شکل غشاء بسته به کاربرد می تواند متفاوت باشد. برخی از کاربردها به پروب های pH با غشاهای تخصصی نیاز دارند که می توانند برای سوراخ کردن محیط های نیمه جامد مانند پروب های pH نوک نیزه استفاده شوند.

الکترود مرجع

یک الکترود مرجع برای ارائه یک پتانسیل ثابت در پروب pH برای تعیین pH مورد نیاز است.

رایج ترین نوع الکترود مرجع حاوی کلرید نقره/نقره (Ag/AgCl) است که در کاربردهای مختلفی از جمله صنایع پزشکی و غذایی استفاده می شود زیرا برای انسان غیر سمی است.

الکترودهای مرجع حاوی کلرید جیوه (Hg/Hg2Cl2) هنوز در برخی صنایع استفاده می شوند، اما به دلیل سمی بودن جیوه معمولاً مورد استفاده قرار نمی گیرند.

جدیدترین سیستم های مرجعی که ساخته شده اند به دلیل زمان پاسخ سریع و حساسیت به دمای پایین حاوی ید هستند. هنگام اندازه‌گیری pH بافرهای تریس و محلول‌های پروتئین، معمولاً از سیستم مرجع ید استفاده می‌شود، زیرا یک سیستم بدون یون فلز است. الکترودهای مرجع حاوی یون‌های فلزی (مانند Ag/AgCl) می‌توانند با محلول برهمکنش داشته باشند و در نتیجه تماس مرجع را مسدود کنند.

الکترولیت مرجع

الکترولیت مرجع مدار داخل الکترود پروب pH را می بندد. الکترولیت باید از نظر شیمیایی خنثی باشد و رسانایی خوبی داشته باشد تا به درستی کار کند.

نرخ های مختلف انتشار یون های هیدروژن در محلول الکترولیت می تواند پتانسیل هایی ایجاد کند که می تواند هنگام اندازه گیری pH مشکلاتی ایجاد کند، بنابراین سیال بودن محلول الکترولیت نیز مهم است.

رایج ترین محلول الکترولیت مرجع، کلرید پتاسیم (KCl) است، با این حال، KCl برای اندازه گیری pH در محلول های دمای پایین توصیه نمی شود زیرا در داخل پروب pH متبلور می شود.

پیوند مرجع

همچنین به عنوان سپتوم شناخته می شود، اتصال مرجع یک نقطه ارتباطی متخلخل است که جریانی بین الکترود مرجع و نمونه اندازه گیری می شود.

اتصالات مرجع مختلف بسته به برنامه ای که استفاده می کنید، نرخ تخلیه متفاوتی دارند. الکترودهای اتصال دوگانه برای کار در شرایط نامطلوب در کاربردهایی که ممکن است جریان الکترولیت معکوس رخ دهد استفاده می شود. جریان معکوس الکترولیت ممکن است زمانی رخ دهد که محلول مورد آزمایش اسیدی یا قلیایی باشد یا زمانی که تحت فشار شدید یا دمای بسیار بالا باشد.

الکترود اتصال دوگانه از محل اتصال مرجع در برابر آلودگی محافظت می کند زیرا محلول مورد آزمایش باید قبل از ثبت مقدار pH در هر دو اتصال پخش شود.

آیا پروب های PH و PH متر یکسان هستند؟

یک کاوشگر pH بخشی از یک pH متر است، بنابراین از نظر فنی یکسان نیستند، اما بدون یکدیگر عمل نمی کنند.

یک pH متر از سه بخش تشکیل شده است: پروب pH، الکترود pH مرجع و خود pH متر. این الکترود داخل پروب pH است که مقدار pH محلول را اندازه گیری می کند.

پروب pH ولتاژ یون هیدروژن را ثبت می کند و با اندازه گیری اختلاف بین الکترود داخل پروب pH و الکترود مرجع، ولتاژ را به مقدار pH قابل خواندن برای pH متر تبدیل می کند.

پروب pH به pH متر صفحه نمایش متصل می شود تا مقدار pH اندازه گیری شده را نشان دهد. در Apure، کاوشگرهای pH ما همچنین می توانند به لوله ای متصل شوند که به آن “نصب پروب در لوله” می گویند.