pH-metingen
Inhoudsopgave
pH indicatoren
pH indicatoren zijn meestal zwakke zuren of zwakke basen die van kleur veranderen afhankelijk van hun dissociatie (protonering) staat. Soms hebben beide vormen een kleur, soms alleen maar een vorm. In de meeste gevallen mag je aannemen dat een volledige kleuromslag van een tweekleurige indicator 2 pH-eenheden beslaat. Het menselijke oog is echter meer gevoelig voor de ene kleur dan voor de andere, dus die kleurveranderingen kunnen over een groter pH-bereik zichtbaar zijn.
pH-indicatoren kunnen gebruikt worden om de pH van een oplossing te controleren maar ze worden maar zelden rechtstreeks toegevoegd. Alleen bij een zuur-base titratie wordt een indicator rechtstreeks aan de oplossing toegevoegd. Om de pH te controleren zijn pH-strips of pH-papier veel gemakkelijker. pH-strips of pH-papier is niets meer dan stukjes papier die zijn geïmpregneerd met een indicator of een mengsel van indicatoren.
Tabel met enkele pH-indicatoren
| Indicator | pH kleur | pH kleur |
|---|---|---|
| Malachiet groen oxalaat | 0,0 – groen | 2,0 – groen – blauw |
| Briljant groen | 0,0 – geel | 2,6 – groen |
| Eosine geel | 0,0 – geel | 3,0 – fluorescerend groen |
| Erythrosine B | 0,0 – geel | 2,6 – rood |
| Methylgroen | 0,1 – geel | 2,3 – blauw |
| Methylviolet | 0,1 – geel | 2,7 – violet |
| Picrinezuur | 0,2 – kleurloos | 1,0 – geel |
| Cresolrood | 0,2 – rood | 1,8 – geel |
| Kristalviolet | 0,8 – geel | 2,6 – blauw – violet |
| m-Cresolpaars | 1,2 – rood | 2,8 – geel |
| Thymolblauw | 1,2 – rood | 2,8 – geel |
| p-Xelenolblauw | 1,2 – rood | 2,8 – geel |
| Eosine blauw | 1,4 – kleurloos | 2,4 – fluorescerend paars |
| Quinaldine rood | 1,4 – kleurloos | 3,2 – paars |
| 2,4-Dinitrophenol | 2,8 – kleurloos | 4,7 – geel |
| 4-(Dimethylamino)azobenzol | 2,9 – rood | 4,0 – geel – oranje |
| Bromochloorphenol blauw | 3,0 – geel | 4,6 – blauw – violet |
| Bromophenol blauw | 3,0 – geel | 4,6 – blauw – violet |
| Congo rood | 3,0 – blauw | 5,2 – geel – oranje |
| Methyloranje | 3,1 – rood | 4,4 – geel – oranje |
| Bromocresol groen | 3,8 – geel | 5,4 – blauw |
| 2,5-Dinitrophenol | 4,0 – kleurloos | 5,8 – geel |
| Alizarine sulfonzuur | 4,3 – geel | 6,3 – violet |
| Methylrood | 4,4 – rood | 6,2 – geel – oranje |
| Chlorophenol rood | 4,8 – geel | 6,4 – paars |
| Lakmoes | 5,0 – rood | 8,0 – blauw |
| Bromocresol paars | 5,2 – geel | 6,8 – paars |
| Bromophenol rood | 5,2 – oranje – geel | 6,8 – paars |
| 4-Nitrophenol | 5,4 – kleurloos | 7,5 – geel |
| Bromoxylenol blauw | 5,7 – geel | 7,5 – blauw |
| Bromothymol blauw | 6,0 – geel | 7,6 – blauw |
| Phenolrood | 6,4 – geel | 8,2 – rood – violet |
| 3-Nitrophenol | 6,6 – kleurloos | 8,6 – geel – oranje |
| Neutraalrood | 6,8 – rood – blauw | 8,0 – geel – oranje |
| Creosolrood | 7,0 – oranje | 8,8 – paars |
| 1-Naphtholphthaleïne | 7,1 – bruinig | 8,3 – blauw – groen |
| m-Cresolpaars | 7,4 – geel | 9,0 – paars |
| Thymol blauw | 8,0 – geel | 9,6 – blauw |
| p-Xylenol blauw | 8,0 – geel | 9,6 – blauw |
| Phenolphthaleïne | 8,2 – kleurloos | 9,8 – violet – rood |
| Thymolphathaleïne | 9,3 – kleurloos | 10,5 – blauw |
| Alkali blauw | 9,4 – violet | 14,0 – paars |
| Alizarine geel GG | 10,0 – Helder geel | 12,1 – bruin-geel |
| Indigo carmijn | 11,5 – Blauw | 13,0 – geel |
| Epsilon blauw | 11,6 – oranje | 13,0 – violet |
| Titaan geel | 12,0 – geel | 13,0 – rood |
pH strips
pH-strips – of pH-papier – kunnen gebruikt worden voor een ruwe schatting van de pH van een oplossing. Ze zijn gemaakt van papier dat is geïmpregneerd met pH-indicatoren of mengsels van indicatoren. Om het papier te gebruiken moet je dit onderdompelen in de oplossing, enkele seconden wachten, en daarna de kleur van het papier vergelijken met een schaal die meestal op een doosje staat afgedrukt. Moderne pH-strips bevatten verschillende kleine stukjes van vezels die zijn geïmpregneerd met een indicator. Dit zorgt voor nauwkeurigere metingen vergeleken met de oudere strips waar het hele papier wordt geïmpregneerd met identieke mengsels van indicatoren.
Er zijn verschillende soorten pH-papier. De universele strips worden het meest gebruikt. Deze strips kunnen gebruikt worden tussen pH = 1 en pH = 14. Veel minder vaak, maar nog steeds populair, zijn strips die de pH in een kleiner bereik kunnen controleren, bijvoorbeeld tussen 3 – 6 of 7 – 10 of zelfs op twee pH-eenheden.
Tot slot worden er ook nog twee soorten lakmoespapier verkocht: blauw lakmoes en rood lakmoes. Dergelijke lakmoesstrips worden gebruikt om de aanwezigheid van een zuur of een base aan te tonen. Blauw lakmoespapier verandert naar rood als het in zuur wordt ondergedompeld en zal niet van kleur veranderen als het in een base wordt ondergedompeld. Rood lakmoespapier werkt net andersom.
Potentiometrische pH
Bij potentiometrische pH-metingen wordt gebruik gemaakt van een ion-selectieve elektrode. De potentiaal van een dergelijke elektrode wordt gegeven door een vereenvoudigde Vergelijking van Nernst:
In deze formule is n de lading van een ion en is pa de negatieve logaritme van zijn activiteit. In het geval van H+ -ionen kan deze vergelijking in zijn eenvoudigste vorm worden genoteerd als:
In de praktijk zijn de beide constanten in de formule (E0’en 0,0591) niet zo constant als we ze zouden willen hebben en ze kunnen veranderen als de elektrode verouderd en als de temperatuur veranderd. Echter, meestal is de afhankelijkheid tussen elektrodepotentiaal en de pH van de oplossing over een groot pH-bereik lineair en gedurende enkele uren stabiel. Dit is voldoende om de elektrode te kalibreren met behulp van twee bufferoplossingen met een bekende pH en zo betrouwbare resultaten te verkrijgen.
Het is belangrijk om te herinneren dat de potentiaal van een pH elektrode niet als een absolute waarde wordt gemeten maar tegen een referentie elektrode met een belende potentiaal. De meest gebruikte referentie elektrodes zijn zilverchloride elektrodes en verzadigde calomel elektrodes (de laatste worden overigens steeds minder gebruikt want ze bevatten kwik).
Afhankelijk van de constructie van de pH-elektrode kan de referentie elektrode zich in dezelfde behuizing bevinden of los worden gebruikt. Zie ook de sectie over de pH-elektrode.
Standaard procedure
Afhankelijk van de pH-meter en de gebruikte elektrode kan de procedure iets anders zijn maar de meeste pH-metingen zullen erg veel op elkaar lijken.
Als eerste is het belangrijk om er voor te zorgen dat de elektrode altijd ondergedompeld is. Dus je zet de elektrode tussen pH-metingen door in een bekerglas met gedestilleerd water of nog beter, een oplossing van 0,1M tot 1,0M KCl. Maak je geen zorgen dat je de elektrode kapot maakt door het wisselen tussen oplossingen. De elektrode kan best enkele minuten blootgesteld worden aan de lucht maar laat de elektrode niet uitdrogen.
Ten tweede is het belangrijk te weten dat een elektrode erg kwetsbaar is. Het bolletje aan het uiteinde is gemaakt van heel erg dun glas want hoe dunner het glas hoe lager de interne elektrodeweerstand en dat is weer goed voor de metingen zelf. Maar dit dunne glas is dus ook erg kwetsbaar, behandel je pH-elektrode daarom met uiterste voorzichtigheid.
Let erop dat de pH-meter aanstaat. Als je een hoge nauwkeurigheid wilt hebben dan is het beter de pH-meter enige tijd (ongeveer 30 minuten) op te laten warmen. Dit helpt om drift tijdens de meting te voorkomen.
Kalibreer de elektrode voor ieder pH-meting of serie van pH-metingen.
Na de kalibratie kan de pH gemeten worden. Spoel de elektrode af en dompel de elektrode onder in de te meten oplossing. Lees het resultaat af en schrijf het op. Spoel de elektrode af en zet die in de bewaarvloeistof. Klaar!
Denk eraan dat bovenstaande erg algemeen is. Verschillende pH-meters kunnen afwijkende gebruiksaanwijzingen hebben. Lees goed de handleiding van je apparaat hoe te handelen en je elektrode te onderhouden.
Temperatuurcompensatie
Volgens de Vergelijking van Nernst is de celpotentiaal afhankelijk van de temperatuur. Bij het meten van de pH moet er dus rekening gehouden worden met temperatuurveranderingen. In de meeste gevallen is het voldoende om de temperatuur te bepalen tijdens de kalibratie. Temperatuur verandert de slope en die wordt tijdens de kalibratieprocedure gecontroleerd. Er zijn twee dingen waarmee rekening gehouden moet worden:
- Voor de beste resultaten moeten de metingen gedaan worden bij dezelfde temperatuur als de kalibratie is uitgevoerd.
- De pH van kalibratiebuffers verandert met de temperatuur dus je kan niet aannemen – en dan in het bijzonder als je warme of hete bufferoplossingen gebruikt – dat hun pH standaard is. Leveranciers van kalibratiebuffers moeten daarom een tabel met pH-waardes bij verschillende temperaturen meeleveren.
Veel commercieel verkrijgbare pH-meters, in et bijzonder de betere, hebben een ingebouwde temperatuurcompensatie. Deze temperatuurcompensatie vindt manueel of automatisch plaats. Bij een manuele compensatie is een aparte temperatuurmeting noodzakelijk. Bij een automatische temperatuurcompensatie wordt het signaal van een aparte temperatuursonde (vaak ingebouwd in de elektrode) naar de pH-meter geleid. Op die manier kan nauwkeurig de pH-waarde van een oplossing worden gemeten bij de gemeten temperatuur.
Perfecte pH-metingen
Er zijn verschillende regels die je kan volgen om de beste resultaten te krijgen voor pH-metingen.
- Spoel de elektrode tussen de metingen met gedestilleerd water.
- Kalibreer de elektrode voor elk gebruik of meetserie.
- Gebruik altijd verse bufferoplossingen voor de kalibratie. Gebruik buffers die niet meer dan 3 pH-eenheden uit elkaar liggen en zorg ervoor dat de pH van het te meten sample zich tussen deze twee buffer pH’s in bevindt. Merk op dat de standaard kalibratiebuffers (4,01 – 7,00 en 10,00) niet bedoeld zijn voor pH’s beneden 4,00 en boven 10,00.
- Houdt de flessen van de bufferoplossingen altijd goed gesloten. Dit geld tin het bijzonder voor buffers met een hoge pH.
- Laat de temperatuur van de pH-meter en de meetopstelling voor gebruik stabiliseren.
- Controleer alle junctions.
- Zorg er voor dat er tijdens de meting geen statische elektriciteit opbouwt.
- Om opwarming te voorkomen plaats je het beste een stuk isolatiemateriaal (karton oid) tussen de magneetroerder en het bekerglas.
- Wrijf of veeg nooit over het bolletje van de elektrode want als er polarisatie optreedt beïnvloedt dit de resultaten. Deppen is geen probleem.
- Gebruik de pH-elektrode niet om pH’s te meten buiten het bereik van de elektrode.
- Bewaar de pH-elektrode in een bewaarvloeistof (of buffer pH = 4,01 of 0,1M KCl-oplossing) gedurende de tijd dat die niet wordt gebruikt. Bewaar een pH-elektrode nooit in gedeïoniseerd water.
- Probeer een elektrode voor het eerste gebruik altijd gedurende 24 uur in een elektrode bewaarvloeistof onder te dompelen.
- Gebruik een geschikte schoonmaakprocedure als de elektrode langzaam wordt of als de drift groot is.
Aanvullend, in geval van open elektrodes:
Open altijd voor aanvang van een meting de vulopening van de elektrode
- Let op dat je geen verkeerde elektrode vuloplossing gebruikt voor de elektrode of de applicatie.
- Zorg er voor dat er geen zoutkristallen ontstaan binnenin de pH-elektrodes.
- Controleer elektrodes regelmatig op schade en verstopping van de externe junction.
Andere procedures
Als het gaat om pH-metingen van oplossingen en dan in het bijzonder verdunningen, dan zijn standaard procedures voldoende. Echter, er zij situaties waar pH-metingen niet rechtstreeks uitgevoerd kunnen worden. Denk dan aan pH-metingen van vlees, kaas of grond. In dergelijke gevallen is er een speciale monstervoorbewerking noodzakelijk en die voorbereiding kan het eindresultaat beïnvloeden.
Laten we eens kijken hoe een pH-meting van grond er uit kan zien.
De pH van grond kan behoorlijk veranderen. Van acidisch in een dennenbos of veenland tot basisch in karstgebied. De pH van grond verandert het vermogen van planten om voedingsstoffen op te nemen uit de grond. Sommige planeten groeien niet in een acidisch milieu en basische grond is weer geschikt voor andere planten. De pH-meting van grond is dus erg belangrijk maar in geen geval eenvoudig. Grond kan droog zijn en de pH-elektrode moet ondergedompeld kunnen worden om goed te kunnen meten. pH-elektrodes zijn ook erg fragiel dus ze kunnen niet de grond ingedrukt worden. pH-metingen moeten dus op een andere manier uitgevoerd worden.
Een algemeen geaccepteerde methode is om een monster te nemen van grond, grijs en klonten en dit in een pot te doen samen met gedestilleerd water (ongeveer gelijke massa’s grond en water. Bijvoorbeeld 1o gram grond en 10 mL. water, voeg nog eens 10 mL. water toe indien nodig maar ook niet meer). Na degelijk mengen van het monster moet de pot 5 tot 10 minuten blijven staan zodat alle oplosbare delen oplossen en alle onoplosbare delen naar beneden kunnen zakken. Daarna wordt de pH gemeten van de bovenstaande oplossing op een gestandaardiseerde manier. Dit wordt dan de grond-pH genoemd.
De procedure klinkt eenvoudig en is in feite ook niet heel erg moeilijk echter ze moet zorgvuldig uitgevoerd worden om betrouwbare en vergelijkbare resultaten te verkrijgen. Het grondmonster moet worden verkregen met gereedschap dat het eindresultaat niet beïnvloedt. De hoeveelheden grondmonster moeten altijd hetzelfde zijn. De tijd van schudden en de tijd dat het grondmonster kan oplossen en sedimenteren moeten altijd hetzelfde zijn.
Volstaat dit? Nope. Een pH gemeten in de bovenstaande vloeistof kan totaal anders zijn dan de pH die gemeten wordt als de elektrode in de slurry op de bodem wordt gestopt. Lange tijd werd geloofd dat dit “suspensie effect” ontstaat door de grote junctionpotentiaal die wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van geladen gronddeeltjes. Een ander beeld werd later gepubliceerd met het argument dat de lading op de gronddeeltjes ofwel waterstofionen afstoten of vasthouden en dat de verschillen in meetwaardes een echte schatting was van de werkelijke verschillen in pH die bestaan tussen de suspensie en de bovenstaande oplossing.
Maar zelfs als je de elektrode altijd op dezelfde manier in de oplossing stopt dan zullen opeenvolgende metingen zelden een betere nauwkeurigheid laten zien dan 0,2 pH-eenheden. Er is nog steeds veel te weinig bekend over veranderende elementen in dit hele proces.
