Weboldalunk használatával jóváhagyja a cookie-k használatát a Cookie-kkal kapcsolatos irányelv értelmében.

pH üveg membrán – a pH elektródák kulcsfontosságú része

Kovács István -
pH üveg membrán – a pH elektródák kulcsfontosságú része

A stabil és pontos pH mérés nagyon fontos feladat mind a laboratóriumi, úgy az ipari, mezőgazdasági pH mérések során. A pH szenzorok legfontosabb része a pH érzékeny üveg membrán. Lényegében ez a speciális üvegből készült nagyon vékony kis membrán biztosítja azt az óriási pH érzékenységet, amely 14 nagyságrendi H+ - ion koncentráció változást is képes követni ( 0-14 pH között).

Ez a cikk bemutatja a pH üveg membránok főbb paramétereit, amelyek kihatással vannak a teljes pH elektróda szenzor pontosságára.

 

 

 

 

pH üveg elektróda felépítése

A pH elektródák általában kombinált típusúak, vagyis egy elektródatestben van beépítve a pH-érzékeny üveg membrán elektróda és a referencia elektróda is. Cikkünkben csak a pH elektróda résszel fogunk foglalkozni. Az üveg pH elektróda legvégén van az üveg membrán, amelyik felel a pH értzékenységért. Az üveg membrán egy üveg cső végéhez van forrasztva. Az üveg membrán anyaga nem ugyanaz, mint az üvegcső anyaga. Maga az üveg membrán egy nagy gyakorlattal bíró üvegfúvó által lesz kifúva az üvegcső végén. Nagyobb gyártók automatizált sorokat alkalmaznak a nagy pontosságú és megbízható, ugyanolyan paraméterrel bíró pH membrán elkészítéséhez. Kisebb gyártók, csak az üvegfúvó mester tapasztalatában bízhatnak és remélhetik, hogy egyforma paraméterü pH elektródákat tud elkészíteni. Az alábbi képre kattintva, megnézhet egy videót a pH membrán és pH elektróda gyártásáról.

 

Az üveg membrán nagyon törékeny, mivel csak kb. 200 - 800 mikron vastagságú és még oldat is van a belsejében. Ezért nagyon óvatosan kell vele bánni.

Az üveg membrán belsejében kálium klorid és valamennyi pH=7 puffer oldat van. Ez az oldat biztosítja a kontaktot az üveg membrán belső része és az ezüst / ezüst klorid referencia elektróda között.

pH üveg membrán hőmérséklet érzékenysége

Ha az üveg membránt vastagabbra gyártják, akkor nő az elektromos ellenálása (ami még a vékony üvegeknél is magas). Ez már gondot okozhat a mérés pontossága szempontjából, főleg alacsony hőfokon, amikor az üveg ellenállása nő.

Példáúl, a nagy tisztaságú desztillált vizek mérésére speciális alacsony ellenállású elektródákat alkalmaznak, mivel a tiszta víz ellenálása már maga megaohm nagyságrendű és közelit a membrán ellenállásához.

Egyes pH membránok, jól működnek alacsony hőmérsékleten, mások épp ellenkezőleg, magas hőfokokon.

De az üveg membrán ellenállása függ az üveg kémiai összetételétől is.

pH üveg membrán savas és lúgos hibája

A pH-mérési határok is változóak. Jellemző tulajdonsága az üveg membránnak a savas és lúgos hiba. Vagyis az erős savakban (pH<1) vagy erős lúgokban (pH>13) a mért pH érték, jelentősen különbözik az igazi értéktől.

A fenti rajzból láthatjuk, hogy egyes pH membrán üvegek elég komoly hibákat képesek generálni a mérések közben, ha a pH érték magasabb, mint pH=10.

Ezt próbálják kizárni, megfelelő üveg összetétel kiválasztásával, de inkább csak az egyik hibát tudják eliminálni. Így vannak üveg membránok, amelyek jól működnek savas oldatokban és vannak membránok, amelyek precízek lúgosakban. Vagyis, ha ez fontos, akkor külön savas közegre való vagy lúgos közegre való pH elektródát kell választani.

A pH mérő elektronikája képes a pH mérést biztosítani akár -2 pH –tól egészen +16 pH-ig. De a gyakorlatban, a pH üveg membrán nem képes lineáris funkciót produkálni a teljes skálában. Ezért is van az, hogy a mérési határ például 0-13 pH között van (és ez nem is rossz! ).

 

pH üveg memebrán kémiai összetételének kihatása a pH elektródák paramétereire

A pH mérésre alkalmazott üveg, nem egy tömeggyártásból származó ablaküveg. Az üveg összetételét a gyártók titokban tartják, de a szabadalmakban azért néhány esetben leírták a pH üvegek összetételét. Az alábbi táblázatban 4 különböző találmányban leírt üveg összetétele látható.

Az ilyen üveg egyes komponensei nagyon drágák. Maga az üveg előállítása is drága, mivel platina tégelyben kell sok órán keresztül magas hőfokon tartani a kompnenseket, majd speciális program szerint hűteni, kiönteni stb. Nagyon sok a kézi munka a pH üveg előállításában és még több az egész pH elektróda előállításában, természetesen nagyon komoly tudással bíró szakemberek is kellenek mindehez. De az ilyen drága üvegből készült elektródák paraméterei nagyon jók.

Vannak pH elektródák olyan üvegekből is, amelyekből „kispórolták” a drága komponenseket. Az ilyen pH elektródákkal készült pH mérők is olcsóbbak. Tehát, ha már minőségi terméket keresünk, akkor ne az olcsók között kutassunk.

Hogyan működik a pH membrán?

A pH membránnak van egy specifikus tulajdonsága – szelektíven reagál a pH értékre. A pH membrán működési elvét segít megérteni az alábbi kép.

A membrán üvegében minimális ion-mozgás van, köszönhetően az üveg kémiai összetételének és előállítási folyamatainak. Főleg a Li+ ionok mozognak. A pH membrán mindkét felületén az oldatban egy nagyon vékony gél réteg keletkezik (10-4 mm). Ezek a rétegek képesek gyorsan cserélni a H+ ionokat az oldatból. A belső részben nem változik a pH. Viszont a külső oldat lehet savas (pH < 7 ) vagy lúgos is ( pH > 7 ). A savas oldatban sokkal nagyobb a H+ ionok kincentrációja, mint a belső ( pH=7 ) oldatban, ezért a külső gél réteg pozítív töltést vesz fel és a membrán két oldala között potenciál különbség keletkezik ( ezt méri a műszer mV-ban). Ez a potenciál különbség arányos a pH értékkel.

A lúgos oldatokban az OH- ionok koncentrációja növekedik és ezek az ionok épülnek be a felületi gél rétegbe, ezér a töltése negatív lesz. A potenciál különbség is változtatja a polaritását, de a lényeg, hogy továbbra is arányos a pH értékkel. Az alábbi grafikonon bemutatjuk a mV és pH kapcsolatát.

 

Ez egy ideális kalibrációs grafikon. A gyakorlatban mért értékek kissé különböznek a teória által adottaktól.

A pH elektróda membránjának van egy érzékenysége a pH változásra, ezt hívják SLOPE –nak (angolul). Szoba hőmérsékleten ( 25 oC ) a SLOPE értéke  59,18 mV/pH. Vagyis minden egy pH érték változása az oldatban kb. 60 mV potenciálkülönbséget generál.

 

pH elektródák membránjának a formája

A membránokat gömb alakú, kúpos, lapos vagy félgömb alakúra szokták készíteni. Mindegyik fajtának vannak előnyei és hátrányai, de a feladatoktól függően kell ki választani őket.

 

A gömb formájú pH elektróda kitűnően megfelel a laboratóriumi mérések követelményeinek, maximális a felületük, ami növeli a pH jel erősségét. Viszont könnyebben elszennyeződnek.

A kúpos alaku pH elektródákat magas viszkozitású közegekben (tejföl, joghúrt, majonéz, lekvár, méz stb.) szokták használni. Ha megfelelő vágó részbe van beépítve, amelyik védi és szét is vágja előtte a közeget, a kúpos elektródákkal akár húsban, gyümölcsökben, sajtban, talajban is lehet mérni (természetesen óvatosan!).

 A lapos felületű elektródákat ipari méréseknél szokás használni, mivel nem szennyeződnek olyan könnyen, mint a gömb alakúak és könnyebb a felületüket tisztítani.

 A lapos felületü pH elektródákkal mérhető a bőr pH értéke, a papír pH, fa, fal, beton pH értéke is.

    

A méréshez csak egy csepp desztillált vizet kell a felületre cseppenteni. Várni egy kicsit, amig a felületen keresztül a belső oldható sók bekerülnek a tiszta oldószer szerepét játszó desztillált vízcsepp belsejében és ezután már mérhetünk is.

 A félgömb formájú pH elektródákat, kis átmérőjű, speciális pH érzékelők készítésekor szokás használni (gasztroenterológiai lenyelhető elektróda, gyomorsav pH mérésére, hüvely pH mérő elektróda, vékony kémcsövekben történő tudományos mérésekre kifejlesztett elektródák stb.).

Tehát, a különböző pH elektródák eleőállításához különböző formáju, összetételü, vastagságú pH üveg membránokat alkalmaznak a gyártók.

pH elektródák paraméterei

A pH mérés pontossága több paramétertől is függ. Nem véleltelenül, a pH elektróda gyártók egy kisebb táblázatban foglalják össze a pH elektródák paramétereit, mert itt minden részlet fontos. Éppen az elektróda tulajdonságát leíró paraméterek alapján lehet meghatározni, megfelel-e az adott pH elektróda egy gyakorlati pH mérési feladat kivitelezésére, vagy sem.

Hogy gyakorlatiasabbá tegyük a probléma megértését, nézzük meg az ADWA laboratóriumi kombinált pH elektródák gyártó által megadott paramétereit.

Az alábbi táblázatban sok hasznos információt kapunk az elektródákról

Csak ebből a táblázatból már látjuk, hogy a következő paraméterek vannak megadva:

  • pH elektródatest méretei: elektróda test hossza, átmérője;
  • pH elektróda érzékelőjének (hegyének) formája, méretei;
  • pH elektróda testének anyaga;
  • pH mérési határok;
  • Környezeti hőmérséklet határai;
  • Maximális nyomás, amelyen még működhet az elektróda (csőbe, vagy tartályba szerelve);
  • Beépített referencia elektróda típusa, átmenetek mennyisége;
  • Só-híd anyaga;
  • Belső oldat kifolyási sebessége a mintába;
  • Belső oldat típusa és összetétele;
  • Beépített hőmérő megléte;
  • Csatlakozó kábel típusa.

Az ADWA pH elektródák a gazdaságos kategóriába tartoznak. De vannak sokkal bonyolultabb felépítésű pH elektródák is, amelyek leírása sokkal hosszabb táblázatot igényel.

 

Egy és ugyanazon pH mérőhöz, lehet csatlakoztatni különböző feladatokra megfelelő pH elektródákat. A fenti képen éppen ez van bemutatva, az ADWA AD-111 pH mérő esetében.

Ha kérdései vannak a pH méréssel kapcsolatban, tanácsra van szüksége, bátran írjon nekünk az info@labornite.hu címünkre!

Tartalomhoz tartozó címkék: pH elektróda tulajdonságai