آشنایی با دستگاه pH متر

تعیین pH یک محلول شیمیایی یکی از فعالیت‌های مهم در آزمایشگاه‌ها است و تقریبا می‌توان گفت که هر رشته‌ای از علوم که با محلول سر و کار دارد به تعیین pH نیاز دارد. به همین دلیل وجود ابزاری برای انجام این کار نیز در اغلب آزمایشگاه‌ها ضروری است. pH متر، دستگاه الکتریکی مورد استفاده برای اندازه گیری فعالیت یون هیدروژن (اسیدیته یا قلیایی بودن) در محلول است.

اساساً، یک pH متر متشکل از یک ولت متر متصل به یک الکترود پاسخ دهنده به pH (الکترود سنسور) و یک الکترود مرجع (بدون تغییر) است. الکترود پاسخ دهنده به pH معمولاً شیشه‌ای و الکترود مرجع معمولا از جنس کلرید نقره است، اگرچه گاهی از الکترود کلرید جیوه نیز استفاده می‌شود. وقتی این دو الکترود در یک محلول غوطه ور می شوند، مانند یک باتری عمل می‌کنند و به این ترتیب می‌توان به کمک دستگاه pH متر میزان pH یک محلول را سنجید.

اگر به نحوه کار دستگاه pH متر و انواع آن علاقه‌مند هستید، در ادامه با ما همراه باشید.

آشنایی با مفهوم pH

pH  به عنوان لگاریتم منفی غلظت یون هیدروژن در یک محلول آبی تعریف می‌شود. اگر بخواهیم این مفهوم را ساده‌تر بیان کنیم، می‌توان گفت که pH  یک مقدار عددی است که میزان اسیدیته یا بازی بودن یک محلول را به صورت کمی نشان می‌دهد. این عدد نشان دهنده تعداد یون‌های هیدروژن است که یک ماده خاص می‌تواند در یک محلول آزاد کند.

چنانچه pH یک محلول برابر با عدد ۷ باشد، آن محلول از نظر اسیدی یا بازی بودن خنثی در نظر گرفته می‌شود. یک محلول با pH بین ۰ تا ۷ اسیدی در نظر گرفته شده و  pH بین ۷ تا ۱۴ نیز بیانگر خاصیت بازی است.

سنجش pH در چه فعالیت‌هایی کاربرد دارد؟

پس از آشنایی با مفهوم pH، لازم است با کاربرد آن در صنایع مختلف نیز آشنا شویم.

• اکثر مولکول‌های زیستی در بدن به دلیل تنظیم دقیق pH عملکرد بهینه‌ای دارند. از همین رو سنجشpH در سیستم‌های بیولوژیکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
• حتی در آزمایش‌های تحلیلی نیز حفظ pH مورد نظر برای دستیابی به نتایج دقیق ضروری است.
• اندازه‌گیری pH در صنعت کشاورزی برای ارزیابی خاک بسیار مهم است. زیرا ممکن است برای پرورش برخی محصولات نیاز به محیط قلیایی باشد.
• همچنین در صنایع غذایی به ویژه برای محصولات لبنی مانند پنیر، کشک، ماست و غیره نیز سنجش pH از اهمیت بالایی برخوردار است.
• ارزیابی pH در صنایع شیمی و دارویی اجباری است و همچنین عامل مهمی در تولید مواد شوینده نیز محسوب می‌شود.
• نظارت بر سطح pH در تصفیه آب نیز ضروری است.

اصول کار دستگاه pH متر

برای اندازه‌گیری فعالیت یون هیدروژن در یک محلول می‌توان از روش‌های بصری، فوتومتریک و پتانسیومتری استفاده کرد. روش‌های بصری و فوتومتریک به منظور تعیین pH بر تغییر رنگ رنگدانه‌های آلی خاصی متکی هستند. روش‌های بصری با نشانگرهای بصری مانند نوارهای تست pH انجام می‌شوند، در حالی که روش فتومتریک از طریق تاباندن نور به نمونه و اندازه گیری میزان جذب نور انجام می‌شود.

با این وجود کاربرد روش‌های بصری یا فوتومتریک در آزمایشگاه‌ها محدود است. زیرا اگر محلول کدر یا دارای رنگ ذاتی باشد، ممکن است در سنجش میزان pH اختلال ایجاد شود. علاوه‌براین برخی از محلول‌ها دارای پیوندهای شیمیایی هستند که شاخص‌های رنگ را از طریق اکسیداسیون از بین برده و نتایج نادرستی را تولید می‌کنند.

روش‌های پتانسیومتری با استفاده از پتانسیل الکتریکی الکترودهای حساس به pH به عنوان سیگنال اندازه‌گیری، pH یک محلول را تعیین می‌کنند و معایب روش‌های بصری و فوتومتریک نیز در روش‌های پتانسیومتری وجود ندارد.

pH متر یک دستگاه پاسخ دهنده به pH است، که فعالیت یون هیدروژن را به روش پتانسیومتری در یک محلول اندازه‌گیری می‌کند و اطلاعات را به یک ولت متر منتقل می‌کند.

این دستگاه از دو پروب شیشه‌ای تشکیل شده است که هر کدام حاوی یک الکترود هستند. یک الکترود مرجع و یک الکترود سنسور.

الکترود مرجع از محلول KCl اشباع ساخته شده است، در حالی که الکترود سنسور حاوی محلول بافر با pH 7 است. یک سیم از جنس نقره که با کلرید نقره پوشش داده شده نیز در هر دو این محلول‌ها غوطه ور است. در انتهای الکترود سنسور، یک حباب از شیشه متخلخل وجود دارد.

برای اندازه گیری pH یک محلول، الکترودها در محلول فرو می‌‌روند. هنگامی که حباب الکترود محلول را لمس کرد، یون‌های هیدروژن موجود در محلول جایگزین یون‌های فلزی روی حباب می‌شوند. این جایگزینی یون باعث ایجاد جریان در سیم های فلزی شده و در نهایت اختلاف پتانسیل توسط ولت‌متر سنجیده می‌شود. از آنجایی که pH متر اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو  الکترود سنسور و الکترود مرجع را اندازه گیری می‌کند، گاهی با نام ” pH متر پتانسیومتری” نیز شناخته می‌شود.

اما چگونه pH متر اختلاف ولتاژ را به عددی برای pH تبدیل می‌کند؟

یک معادله ساده به نام Nernst وجود دارد که این موضوع را توضیح می‌دهد. از طریق این معادله، pH متر اختلاف ولتاژ را به غلظت یون هیدروژن تبدیل می‌کند.  معادله Nernst پتانسیل سلول الکتروشیمیایی را به عنوان تابعی از غلظت یون‌های شرکت کننده در واکنش توصیف می‌کند.

جزئیات ساخت الکترودهای دستگاه pH متر جزء اسرار تجاری تولید کنندگان است. با این وجود شرکت‌های سازنده جنبه‎‌های خاصی از طراحی این الکترودها را منتشر کرده‌اند که در ادامه اشاره‌ای کوتاه به آن خواهیم داشت.

الکترود سنسور:

شیشه یک الکترولیت جامد است که یون‌های فلزات قلیایی می‌توانند در آن جریان یابند. تولیدکنندگان برای ایجاد یک غشاء یکنواخت شیشه‌ای، معمولا غشای شیشه‌ای حساس به pH  در الکترود سنسور را به صورت کروی طراحی می‌کنند. ضخامت این غشاها حداکثر 4/0 میلی متر است. به این ترتیب دوام پروب‌ها بیشتر خواهد بود. این شیشه دارای خواص شیمیایی سیلیکات در سطح خود است که جایگاه اتصال (binding sites) را برای یون‌های فلز قلیایی و یون‌های هیدروژن موجود در محلول فراهم می‌کند.

الکترود مرجع:

الکترود مرجع در pH متر معمولا از جنس کلرید نقره  است اگرچه برخی از تولیدکنندگان از الکترود استاندارد کالومل (Saturated calomel electrode) نیز استفاده می‌کنند. ساخت الکترود کلرید نقره ‌آسان‌تر است و قابلیت تولید مجدد بالا را فراهم می‌کند.

انواع دستگاه pH متر

امروزه با پیشرفت دانش و تکنولوژی، دستگاه‌های pH متر نیز پیشرفت زیادی داشته‌اند و در انواع و مدل‌های مختلفی تولید شده و مورد استفاده قرار می‎گیرند. pH مترها از جهات مختلفی پیشرفته شده‌اند که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

۱. از لحاظ ابعادی: امروزه دستگاه‌های  pH متر در ابعاد کوچکتری تولید و عرضه می‌شوند که علاوه بر اشغال فضای کمتر، از حساسیت بالایی نیز برخوردار هستند، به ‌طوریکه امکان اندازه گیری مستقیم pH داخل سلول‌های زنده را نیز فراهم می‌کنند.

۲. سنجش pH در طیف گسترده‌تری از مواد: علاوه بر اندازه گیری pH مایعات، الکترودهای مخصوص طراحی شده برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد مانند غذاها نیز در دسترس هستند که امکان سنجش pH  در طیف وسیعی از مواد را فراهم می‌کنند.

۳. از لحاظ مکانیزم: pH مترها از دستگاه‌های ساده و ارزان گرفته تا ابزار آزمایشگاهی پیچیده و گران قیمت با رابط‌های رایانه‌ای در دسترس هستند. همچنین ممکن است یک pH متر به چندین ورودی مجهز باشد تا به کمک آن بتوان تغییرات pH ناشی از دما را نیز مورد بررسی قرار داد. علاوه‌براین pH مترها می‌توانند از طریق باتری کار کنند یا به برق متصل شوند.

۴. خروجی ارائه شده: خروجی pH مترها نیز می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد. همچنین سنسورهای pH هولوگرافیک نیز در دسترس هستند که با استفاده از تنوع شاخص‌های pH موجود، اندازه گیری pH را به صورت رنگ سنجی امکان پذیر می‌کنند. با  وجود

۵. قابلیت جابه‌جایی

• pH متر رومیزی یا Benchtop : اغلب در آزمایشگاه‌ها برای تجزیه و تحلیل pH یک محلول در یک آزمایشگاه استفاده می‌شود.
• PH مترهای قابل حمل یا پرتابل:  PH مترهای دستی هستند که برای گرفتن PH نمونه در یک مکان خاص یا سالن تولید استفاده می‌شوند.

کالیبراسیون دستگاه pH متر

اگر کاربر آزمایشگاه باشید حتما می‌دانید که اندازه گیری‌های بسیار دقیق مستلزم کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری هستند. دستگاه pH متر نیز از این قاعده مستثنی نیست و اغلب لازم است قبل از استفاده کالیبره شود.

مطابق با اصول عملیات خوب آزمایشگاهی (GLP)، برای کالیبراسیون دستگاه  pH متر حداقل دو محلول استاندارد بافر نیاز است که دامنه مقادیر pH برای اندازه‌گیری را پوشش می‌دهند. برای انجام آزمایش‌های عمومی، بافرهایی با pH 4.00 و pH 10.00 مناسب هستند. اما اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر، گاهی اوقات به کالیبراسیون در سه مقدار مختلف pH نیاز دارند.

نکات نگهداری از دستگاه pH متر

به دلیل حساسیت الکترودها به آلاینده‌ها، تمیز بودن پروب‌ها برای افزایش دقت و صحت یک آزمایش ضروری است. در صورتی که برای مدت زمان طولانی از پروب‌ها استفاده نشود، پروب‌ها معمولاً باید درون یک محلول مناسب قرار بگیرند تا مرطوب نگه داشته شوند. این محلول معمولا توسط تولیدکننده دستگاه معرفی می‌شود. همچنین تولید کنندگان پروب دستورالعمل‌های خاصی را برای تمیز کردن پروب‌ها ارائه می‌کنند.

جمع‎‌بندی

همانطور که در قسمت‌های قبلی گفته شد، دستگاه pH متر یکی از تجهیزات مهم در تمامی حوزه‌هایی محسوب می‌شود که با محلول‌ها کار می‌کنند. این دستگاه در انواع مختلفی عرضه می‌شود و برای سنجش pH در خاک، محلول‌های آبی و حتی مواد غذایی کاربرد دارد.

در این مطلب سعی کردیم تا به بیانی ساده مروری بر دستگاه pH متر داشته باشیم. امیدواریم این مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد.