Sonda pH – instrument do mierzenia odczynu roztworu

Nietrudno się domyślić, że sonda pH jest urządzeniem służącym do pomiaru kwasowości i zasadowości wody lub roztworu wodnego. Czym jednak jest pH, dlaczego w ogóle prowadzi się jego pomiary i w oparciu o jakie zasady działają najpopularniejsze obecnie mierniki odczynu roztworów?

Co dokładnie mierzy sonda pH?

Potocznie przyjmuje się, że skala pH określa zawartość jonów wodorowych H+ w roztworach wodnych. Dla porządku: to nie do końca jest prawdą. Jon wodorowy to w tym przypadku pojedynczy proton, który – jak wiadomo – ma ładunek dodatni. Okazuje się jednak, że jony wodorowe – czyli de facto pojedyncze protony pozbawione elektronów – nie występują naturalnie w wodzie, zaś skala pH dotyczy raczej jonów hydroniowych H3O+. Żeby jednak nie komplikować zbytnio nomenklatury, przyjęto w konsensusie naukowym, że skala pH roztworów wodnych dotyczy jonów wodorowych H+ i przyjmuje wartości od 0 do 14, gdzie:

• stężony kwas solny HCl ma pH= 0 – roztwór silnie kwasowy, przewaga jonów wodorowych H+nad wodorotlenowymi OH–;
• pH soku pomarańczowego wynosi 3,5;
• chemicznie czysta woda ma pH= 7, co oznacza, że stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych są równe;
• pH mydła wynosi 10;
• stężony roztwór wodorotlenku sodu NaOH ma pH = 14 – roztwór silnie zasadowy, przewaga jonów wodorotlenowych OH–nad wodorowymi H+.

Dlaczego jednak używa się sondy pH do badania roztworów wodnych? Między innymi dlatego, aby określić warunki życia mikro-oraz makroorganizmów w akwenie, a także ustalić właściwości wody, ponieważ niektóre substancje odżywcze lepiej rozpuszczają się w roztworach o lekko kwaśnym odczynie. Woda w wodociągach oraz ścieki także są badane:

• Istnieją limity kwasowości ścieków, co jest szczególnie ważne w sytuacji, gdy decydujemy się na ich biologiczne oczyszczanie.
• Z kolei obecność zbyt kwaśnej wody w wodociągach czy instalacji grzewczej może skutkować przyspieszoną korozją metalowych elementów tych instalacji. Dzięki badaniu pH możemy zapobiec takiej sytuacji.

Jak działają elektrochemiczne sondy pH?

Elektrochemiczne sondy pH są obecnie najpopularniejszym urządzeniem do pomiaru odczynu roztworu wodnego. Zasada ich działania jest stosunkowo prosta i opiera się na pomiarze potencjałów elektrycznych pomiędzy elektrodą pomiarową i porównawczą. Obydwie elektrody mogą znajdować się w jednym korpusie i takie rozwiązanie jest najczęściej stosowane. Takie połączenie tworzy wtedy elektrodę zespoloną do pomiaru pH.

W bardzo dużym uproszczeniu:

Elektroda porównawcza zanurzona jest w elektrolicie wzorcowym, o znanym pH. Z kolei elektroda pomiarowa, której końcówka wykonana jest z przepuszczalnego szkła membranowego, zanurzana jest w badanej cieczy. Jony wodorowe przenikają do jej wnętrza, wzbudzając impuls o określonym potencjalne. Sprawia to, że pomiędzy obydwiema elektrodami pojawia się różnica potencjału. Wartość ta jest następnie sczytywana przez odpowiedni przyrząd pomiarowy, do którego podłączone są obydwa mierniki. Na końcu przyrząd pomiarowy przelicza różnicę potencjału na skalę pH.

Warto przy tym pamiętać, że wysokiej jakości sondy pH, na przykład dostępne w ofercie JUMO, mają możliwość dołączenia czujnika temperatury Pt1000 do miernika pH (temperatura medium wpływa na odczyt pH). Warto także pamiętać o możliwości pracy w niesprzyjających warunkach (ciśnienie do 10 barów, temperatura powyżej 130°C ) i możliwie łatwej konfiguracji/kalibracji.