pH – Inleiding

pH is een van de meest belangrijke parameters van waterige oplossingen. Kinetiek en equilibrium van nagenoeg iedere reactie die in water plaatsvindt is afhankelijk van de pH van de oplossing. Deze reacties zijn niet alleen verantwoordelijk voor een typische chemische toepassing (zoals de synthese van verbindingen), maar ook voor de manier waarop planten voedingsstoffen uit de bodem opnemen, waterdieren hun schelpen laten groeien, ons lichaam de adem reguleert, etc.. In het geval van biologische systemen kan een pH-verandering van enkele honderdsten een significant effect hebben. Dat betekent op zijn beurt dat het kennen van de pH van oplossingen meestal erg belangrijk is als we de situatie onder controle willen houden. In feite is pH waarschijnlijk de meest gemeten eigenschap wat waterige oplossingen, in een laboratorium, in het veld en in fabrieken.

pH kan worden gemeten met behulp van ofwel pH-indicatoren (zoals bijvoorbeeld fenolftaleïne) – in de vorm van een oplossing of pH-strips -of met behulp van de potentiometrische methode. Het gebruik van indicatoren is vrij lastig. Strips zijn eenvoudig te gebruiken maar hun nauwkeurigheid is beperkt tot ongeveer 0,2 tot 0,5 pH-eenheden. Daarnaast kunnen strips niet gebruikt worden voor continue metingen.

Als er een grotere nauwkeurigheid of snelle resultaten worden vereist dan is de pH-meter de enige methode om dit te bereiken. Een pH-meter kan iedere vorm aannemen: van instrumenten met hoge precisie en dure laboratoriumopstellingen tot handige pocketmodellen die nauwelijks groter zijn dan een pen. De pH-meter werkt door het meten van het potentiaalverschil tussen de bekende referentie-elektrode en de meetbare pH-elektrode. Het potentieel van de pH-elektrode is afhankelijk van het logaritme van de concentratie (of meer precies de activiteit) van de hydroxonium-ionen. Deze afhankelijkheid wordt beschreven door de Vergelijking van Nernst. Als de potentiaal is gemeten dan kan daaruit de direct de pH-waarde van de oplossing worden berekend.

Technisch gezien is de pH-meter niets meer dan een precieze voltmeter, verbonden met de pH- en referentie-elektroden, en zo geschaald dat hij niet de gemeten potentiaal, maar de bepaalde pH-waarde weergeeft. In een typische moderne pH-meter is de referentie-elektrode ingebouwd in de pH-elektrode. Dit zorgt voor een compact apparaat dat eenvoudig is te gebruiken.

pH-meter

De pH-meter is een apparaat dat gebruikt wordt voor potentiometrische pH-metingen.

Bij potentiometrische methodes meet je het potentiaalverschil tussen een bekende referentie- elektrode en een metende pH-elektrode. Die laatste is afhankelijk van de activiteiten van de ionen die je wilt meten. Deze afhankelijkheid wordt beschreven in de Vergelijking van Nernst. Dus na het meten van de potentiaal kan de activiteit worden berekend.

De eerste commercieel verkrijgbare pH-meter werd in 1936 door Arnold Beckman gebouwd. Sindsdien zijn pH-meters een van de meest populaire en belangrijkste meetinstrumenten geworden die door chemici en niet-chemici worden gebruikt in laboratoria, in het veld en in industriële omgevingen.

De pH-meter is niets meer dan een hele nauwkeurige voltmeter die is verbonden met een pH-elektrode en op een dusdanige manier is geschaald dat hij niet de gemeten potentiaal aangeeft, maar de omgerekende pH-waarde.

Geschiedenis pH meter

De eerste pH-meter werd in 1934 door Arnold Beckman gebouwd. De eerste glazen pH-elektrode die een potentiaal had op basis van H⁺ -activiteit werd al in 1906 door Fritz Haber en Zygmunt Klemensiewicz gebouwd. Er waren echter grote technische problemen om op grote schaal potentiometrische pH-meters (de term pH werd pas na 1909 gebruikt) te maken. Het grootste probleem werd veroorzaakt door de grote interne weerstand van glazen elektrodes die er voor zorgen dat metingen heel erg lastig zijn. Om betrouwbare resultaten te verkrijgen werd men gedwongen om een erg gevoelige galvanoscoop te gebruiken en die waren duur en lastig te onderhouden. Om dit probleem op te lossen stelde Arnold Beckman voor om een eenvoudige versterker te gebruiken met twee vacuümbuizen. De versterkte stroom was met goedkope milli-amperemeters veel gemakkelijker te meten.

Dit idee bleek al snel te werken en in 1936 besloot Beckman om zijn pH-meter commercieel als de Model G acidimeter te verkopen. Dit model werd later hernoemd naar de Model G pH-meter. Hij besloot om het hele apparaat, bestaande uit een versterker, een elektrochemische cel, elektrode, kalibratieschijven, batterijen en maatverdeling in een houten kist te bouwen. Dat klinkt tegenwoordig heel logisch maar dat was het in 1936 absoluut niet. In eerste instantie werd de markt geschat op 600 pH-meters en daarmee zou de markt binnen 10 jaar verzadigd zijn. In het eerste jaar werden er 444 pH-meters verkocht en dat toonde aan dat er een nieuwe markt was ontdekt. De Model G pH-meter werd tot in de jaren ’50 verkocht en in 1955 had de Model g serienummers die > 125.000.

De Model G pH-meter was een commercieel succes maar men kwam er al snel achter dat de betrouwbaarheid van de glaselektrode een groot probleem was. De constructie van het apparaat zorgde ervoor dat de elektrode in dezelfde positie als de oplossing moest worden gebruikt. Onderzoek van de universiteit van Stanford toonde aan dat de mate van onderdompeling van de elektrode een grote invloed had op de resultaten van de pH-meting. Dit leidde in 1937 tot een complete herziening van het ontwerp van de elektrode.

In dezelfde periode begonnen ook andere bedrijven met de productie van pH-meters. In 1937 kwam de PHM1 van het Deense Radiometer op de markt.
Ofschoon de pH-meter ongeveer 90 jaar op de markt is volgens alle pH-meters nog ongeveer hetzelfde principe. Ze bestaan uit een externe pH- en referentie-elektrodes (vaak in dezelfde behuizing), een versterker en een ampèremeter en dat allemaal in een compacte draagbare verpakking.
pH-meters zijn nog steeds veel gebruikte en veel verkochte instrumenten. De markt voor dergelijke apparaten is in 2020 nog steeds niet verzadigd.

Opbouw pH meter

Zoals al eerder aangegeven is een pH-meter niet meer dan een nauwkeurige voltmeter die de EMF (ElektroMagnetische Frequentie) van een pH-elektrode meet. Echter, aan een commercieel verkrijgbare voltmeter hebben we niets. De pH-elektrode heeft een interne weerstand van 10-100 MOhm. Een betrouwbare potentiaal voltmeter moet een interne weerstand hebben die minstens 100 maal groter is. De meeste digitale voltmeters die momentele beschikbaar zijn hebben een weerstand van 1 – 10 MOhm en ze zijn daarom ongeschikt.

Een voltmeter maken met een hoge weerstand is niet gemakkelijk want dergelijke apparaten zijn gevoelig voor temperatuurschommelingen, elektromagnetische ruis en elektrostatische ladingen. Echter, met de elektronische componenten die tegenwoordig beschikbaar zijn is het niet moeilijk om een versterker te maken met een hoge ingangsweerstand. Een dergelijke versterker kan gebruikt worden als interface tussen de pH-elektrode en de voltmeter. Dit is precies de manier waarop de meeste pH-meters tegenwoordig werken.
Het basisidee achter de pH-meter is sinds 1934 niet essentieel veranderd maar de betrouwbaarheid en de nauwkeurigheid van de tegenwoordige pH-meters is wel vele malen beter geworden. Elektrodes en eigenschappen van de te meten oplossingen zijn echter nog steeds een beperkende factor. Tegenwoordig zijn alle pH-meters digitaal en kunnen ze aan een computer worden gekoppeld.

Er zijn twee groepen pH-meters: tafelmodellen en draagbare modellen. Een tafelmodel is meestal nauwkeuriger en heeft vaak meer ingebouwde opties die toegepast kunnen worden in een potentiometrische applicatie. Draagbare pH-meters zijn eenvoudiger van opzet en kunnen vaak alleen maar de pH meter. Dat neemt niet weg dat ze voor veldmetingen nog steeds erg waardevol zijn.

Kalibratie pH meter

Voor gebruik van een pH-meter moet die worden gekalibreerd. Iedere pH-elektrode is een beetje anders en die karakteristieken veranderen ook bij het ouder worden. Zonder juiste pH-kalibratie zullen resultaten vaak minimaal enkele tienden van een pH-eenheid afwijken. Voor de kalibratie van een pH-meter zijn twee of drie kalibratiebuffers nodig met een exact bekende pH (die kunnen worden gekocht in vloeibare vorm of als vaste stof). De pH-elektrode wordt in deze oplossingen ondergedompeld en waarmee de aanwijzingen van de pH-meter worden gecorrigeerd. Afhankelijk van het type pH-meter wordt de buffer automatisch herkend en wordt de kalibratieprocedure bijna automatisch doorlopen (je hoeft alleen maar een nieuwe buffer aan te bieden als het apparaat daar om vraagt) of je moet de kalibratie handmatig uitvoeren door de pH-meer bij een nieuwe buffer op de juiste waarde in te stellen. In beide gevallen is het onderliggende principe hetzelfde: gain en offset parameters worden, uitgaande van een lineaire afhankelijkheid tussen pH en elektrovoltage, ingesteld.

De kalibratie van een pH-meter wordt meestal de kalibratie van de elektrode genoemd want de parameters die worden ingesteld zijn niet afhankelijk van het apparaat maar van de elektrode. De juiste kalibratieprocedure staat meestal beschreven in de manual van het apparaat en een algemene procedure staat beschreven in de pH-elektrode kalibratiesectie van deze site.