Un medidor de pH es un instrumento científico que mide la actividad de los iones de hidrógeno en soluciones a base de agua , indicando su acidez o alcalinidad expresada como pH . [2] El medidor de pH mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de referencia, por lo que el medidor de pH a veces se denomina "medidor de pH potenciométrico". La diferencia de potencial eléctrico se relaciona con la acidez o el pH de la solución. [3] El medidor de pH se utiliza en muchas aplicaciones que van desde la experimentación de laboratorio hastacontrol de calidad . [4]
Aplicaciones
La velocidad y el resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en el agua a menudo dependen de la acidez del agua y, por lo tanto, es útil conocer la acidez del agua, que generalmente se mide mediante un medidor de pH. [5] El conocimiento del pH es útil o fundamental en muchas situaciones, incluidos los análisis de laboratorio químico . Los medidores de pH se utilizan para mediciones de suelos en agricultura , calidad del agua para suministros de agua municipales , piscinas , remediación ambiental ; elaboración de vino o cerveza; aplicaciones de fabricación , sanitarias y clínicas, como química sanguínea ; y muchas otras aplicaciones. [4]
Los avances en la instrumentación y la detección han ampliado el número de aplicaciones en las que se pueden realizar mediciones de pH. Los dispositivos se han miniaturizado , lo que permite la medición directa del pH dentro de las células vivas . [6] Además de medir el pH de los líquidos, hay disponibles electrodos especialmente diseñados para medir el pH de sustancias semisólidas, como los alimentos. Estos tienen puntas adecuadas para perforar semisólidos, tienen materiales de electrodos compatibles con los ingredientes de los alimentos y son resistentes a la obstrucción. [7]
Diseño y uso
Principio de funcionamiento
Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido en el valor de pH correspondiente. Comprenden un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo de combinación, y alguna forma de pantalla calibrada en unidades de pH. Por lo general, tiene un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia o un electrodo combinado. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución que se va a analizar. [8]
El diseño de los electrodos es la parte clave: se trata de estructuras en forma de varilla, generalmente de vidrio, con una bombilla que contiene el sensor en la parte inferior. El electrodo de vidrio para medir el pH tiene un bulbo de vidrio diseñado específicamente para ser selectivo a la concentración de iones de hidrógeno. Al sumergirlo en la solución que se va a probar, los iones de hidrógeno en la solución de prueba se intercambian por otros iones cargados positivamente en el bulbo de vidrio, creando un potencial electroquímico a través del bulbo. El amplificador electrónico detecta la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos generados en la medición y convierte la diferencia de potencial en unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través del bulbo de vidrio está relacionada linealmente con el pH según la ecuación de Nernst .
El electrodo de referencia es insensible al pH de la solución, estando compuesto por un conductor metálico, que se conecta a la pantalla. Este conductor se sumerge en una solución de electrolito, típicamente cloruro de potasio, que entra en contacto con la solución de prueba a través de una membrana cerámica porosa. [9] La pantalla consta de un voltímetro , que muestra el voltaje en unidades de pH. [9]
Al sumergir el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en la solución de prueba, se completa un circuito eléctrico , en el que hay una diferencia de potencial creada y detectada por el voltímetro. Se puede pensar que el circuito va desde el elemento conductor del electrodo de referencia a la solución de cloruro de potasio circundante, a través de la membrana cerámica a la solución de prueba, el vidrio selectivo de iones de hidrógeno del electrodo de vidrio, a la solución dentro del electrodo de vidrio. electrodo de vidrio, a la plata del electrodo de vidrio, y finalmente al voltímetro del dispositivo de visualización. [9] El voltaje varía de una solución de prueba a otra, dependiendo de la diferencia de potencial creada por la diferencia en las concentraciones de iones de hidrógeno en cada lado de la membrana de vidrio entre la solución de prueba y la solución dentro del electrodo de vidrio. Todas las demás diferencias de potencial en el circuito no varían con el pH y se corrigen mediante la calibración. [9]
Para simplificar, muchos medidores de pH utilizan una sonda combinada, construida con el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia contenidos dentro de una sola sonda. En el artículo sobre electrodos de vidrio se ofrece una descripción detallada de los electrodos combinados . [10]
El medidor de pH se calibra con soluciones de pH conocido, generalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. [11] Para medir el pH de una solución, los electrodos se utilizan como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno en la solución de prueba se equilibren con los iones de la superficie del bulbo en el electrodo de vidrio. Este equilibrio proporciona una medición de pH estable. [12]
Diseño de electrodo de pH y electrodo de referencia
Los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH se mantienen como secretos comerciales por parte de los fabricantes. [13] : 125 Sin embargo, se publican ciertos aspectos del diseño. El vidrio es un electrolito sólido, por el cual los iones de metales alcalinos pueden transportar corriente. La membrana de vidrio sensible al pH es generalmente esférica para simplificar la fabricación de una membrana uniforme. Estas membranas tienen un grosor de hasta 0,4 milímetros, más gruesas que los diseños originales, para que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene una funcionalidad química de silicato en su superficie, que proporciona sitios de unión para los iones de metales alcalinos y los iones de hidrógeno de las soluciones. Esto proporciona una capacidad de intercambio iónico en el rango de 10 −6 a 10 −8 mol / cm 2 . La selectividad por los iones de hidrógeno (H + ) surge del equilibrio de la carga iónica, los requisitos de volumen frente a otros iones y el número de coordinación de otros iones. Los fabricantes de electrodos han desarrollado composiciones que equilibran adecuadamente estos factores, sobre todo el vidrio de litio. [13] : 113–139
El electrodo de cloruro de plata se usa más comúnmente como electrodo de referencia en medidores de pH, aunque algunos diseños usan el electrodo de calomelanos saturado . El electrodo de cloruro de plata es sencillo de fabricar y proporciona una alta reproducibilidad . El electrodo de referencia generalmente consiste en un alambre de platino que tiene contacto con una mezcla de plata / cloruro de plata, que se sumerge en una solución de cloruro de potasio. Hay un tapón de cerámica, que sirve como contacto con la solución de prueba, proporcionando baja resistencia al tiempo que evita la mezcla de las dos soluciones. [13] : 76–91
Con estos diseños de electrodos, el voltímetro detecta diferencias de potencial de ± 1400 milivoltios. [14] Los electrodos están además diseñados para equilibrarse rápidamente con las soluciones de prueba para facilitar su uso . Los tiempos de equilibrado suelen ser inferiores a un segundo, aunque los tiempos de equilibrado aumentan a medida que envejecen los electrodos. [13] : 164
Mantenimiento
Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la exactitud y precisión . Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no se usan con un medio apropiado para la sonda en particular, que normalmente es una solución acuosa disponible de los fabricantes de sondas. [11] [15] Los fabricantes de sondas proporcionan instrucciones para limpiar y mantener sus diseños de sondas. [11] A modo de ilustración, un fabricante de pH de laboratorio da instrucciones de limpieza para contaminantes específicos: limpieza general (15 minutos de remojo en una solución de blanqueador y detergente), sal (solución de ácido clorhídrico seguida de hidróxido de sodio y agua), grasa (detergente o metanol), unión de referencia obstruida (solución de KCl), depósitos de proteínas (pepsina y HCl, solución al 1%) y burbujas de aire. [15] [16]
Calibración y operación
El Instituto Alemán de Normalización publica un estándar para la medición del pH con medidores de pH, DIN 19263. [17]
Las mediciones muy precisas requieren que el medidor de pH se calibre antes de cada medición. Normalmente, la calibración se realiza una vez al día de funcionamiento. La calibración es necesaria porque el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante períodos de tiempo más largos. [13] : 238–239
De acuerdo con los principios de las buenas prácticas de laboratorio , la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarcan el rango de valores de pH que se van a medir. Para fines generales, son adecuados los tampones a pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para establecer la lectura del medidor igual al valor del primer tampón estándar y un segundo control para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo tampón. Un tercer control permite configurar la temperatura. Los sobres de tampón estándar, disponibles en una variedad de proveedores, generalmente documentan la dependencia de la temperatura del control del tampón. Las mediciones más precisas a veces requieren calibración a tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH ofrecen corrección de coeficiente de temperatura incorporada, con termopares de temperatura en las sondas de los electrodos. El proceso de calibración correlaciona el voltaje producido por la sonda (aproximadamente 0.06 voltios por unidad de pH) con la escala de pH. Las buenas prácticas de laboratorio establecen que, después de cada medición, las sondas se enjuagan con agua destilada o desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se secan con una toallita científica para absorber el agua restante, que podría diluir la muestra y así alterar la lectura, y luego sumergido en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular. [18]
Tipos de medidores de pH
Los medidores de pH van desde dispositivos simples y económicos en forma de bolígrafo hasta instrumentos de laboratorio complejos y costosos con interfaces de computadora y varias entradas para el indicador y las mediciones de temperatura que se deben ingresar para ajustar la variación de pH causada por la temperatura. La salida puede ser digital o analógica, y los dispositivos pueden funcionar con batería o depender de la línea de alimentación . Algunas versiones usan telemetría para conectar los electrodos al dispositivo de visualización del voltímetro. [13] : 197–215
Se encuentran disponibles medidores y sondas especiales para su uso en aplicaciones especiales, como entornos hostiles [19] y microambientes biológicos. [6] También hay sensores de pH holográficos, que permiten medir el pH de forma colorimétrica , haciendo uso de la variedad de indicadores de pH disponibles. [20] Además, existen medidores de pH disponibles comercialmente basados en electrodos de estado sólido , en lugar de electrodos de vidrio convencionales. [21]
Historia
El concepto de pH fue definido en 1909 por SPL Sørensen , y los electrodos se utilizaron para medir el pH en la década de 1920. [22]
En octubre de 1934, Arnold Orville Beckman registró la primera patente de un instrumento químico completo para la medición del pH, Patente de los Estados Unidos Nº 2.058.761, para su "acidímetro", posteriormente rebautizado como medidor de pH. Beckman desarrolló el prototipo como profesor asistente de química en el Instituto de Tecnología de California , cuando se le pidió que diseñara un método rápido y preciso para medir la acidez del jugo de limón para el California Fruit Growers Exchange ( Sunkist ). [23] : 131-135
El 8 de abril de 1935, Beckman pasó a llamarse Laboratorios Técnicos Nacionales y se centró en la fabricación de instrumentos científicos, con Arthur H. Thomas Company como distribuidor de su medidor de pH. [23] : 131-135 En su primer año completo de ventas, 1936, la compañía vendió 444 medidores de pH por $ 60,000 en ventas. [24] En los próximos años, la empresa vendió millones de unidades. [25] [26] En 2004, el medidor de pH Beckman fue designado Monumento Químico Histórico Nacional de la ACS en reconocimiento de su importancia como el primer medidor de pH electrónico comercialmente exitoso. [24]
La Radiometer Corporation of Denmark se fundó en 1935 y comenzó a comercializar un medidor de pH para uso médico alrededor de 1936, pero "se descuidó el desarrollo de medidores de pH automáticos para fines industriales. En su lugar, los fabricantes de instrumentos estadounidenses desarrollaron con éxito medidores de pH industriales con una amplia gama de una variedad de aplicaciones, como en cervecerías, papeleras, plantas de alumbre y sistemas de tratamiento de agua ". [22]
Beckman comercializó un "pHmetro de bolsillo" portátil ya en 1956, pero no tenía lectura digital. [27] En la década de 1970, Jenco Electronics de Taiwán diseñó y fabricó el primer medidor de pH digital portátil. Este medidor se vendió con la etiqueta de Cole-Parmer Corporation . [28]
Construyendo un medidor de pH
Se requiere una fabricación especializada para los electrodos, y los detalles de su diseño y construcción suelen ser secretos comerciales. [13] : 125 Sin embargo, con la compra de electrodos adecuados, se puede usar un multímetro estándar para completar la construcción del medidor de pH. [29] Sin embargo, los proveedores comerciales ofrecen pantallas de voltímetro que simplifican el uso, incluida la calibración y la compensación de temperatura. [7]
Ver también
- Electrodos selectivos de iones
- Electrodo de pH ISFET
- Potenciometria
- Electrodo de quinhidrona
- Electrodo de calomelanos saturado
- Electrodo de cloruro de plata
- Electrodo de hidrógeno estándar
Referencias
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Haga clic en 'Beckman Historical Collection Finding Aid' para ir al documento completo.
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enlaces externos
- Introducción a la medición de pH : descripción general de pH y medición de pH en el sitio web de Omega Engineering
- Desarrollo del medidor de pH Beckman - Monumento químico histórico nacional de la Sociedad Química Estadounidense
- Manual de medición de pH : una publicación de Thermo-Scientific Co.