پی اچ متر چیست؟ اصول کار، انواع و کالیبراسیون pH متر

پی اچ متر (pH Meter) دستگاهی برای اندازه گیری میزان اسیدی یا قلیایی بودن یک محلول است که بر حسب pH بیان می شود.

دانستن pH در بسیاری از موقعیت ها، از آنالیزهای آزمایشگاهی گرفته تا تولید مواد غذایی، کشاورزی و تصفیه آب، اهمیت زیادی دارد. با پیشرفت ابزار دقیق، پی اچ متر ها کوچک تر و دقیق تر شده اند؛ به طوری که امروزه حتی می توان pH داخل سلول های زنده را اندازه گرفت و الکترودهای ویژه ای برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد مانند مواد غذایی نیز وجود دارد.

در این مقاله با مفهوم pH، ساختار و اصول کار پی اچ متر، انواع آن و نحوه کالیبراسیون و نگهداری آن آشنا می شوید.

pH چیست؟

احتمالا با کاغذ pH و شناساگرهای اسید و باز آشنا هستید. pH معیاری برای بیان میزان اسیدی یا قلیایی بودن یک محلول آبی است و با یک مقیاس لگاریتمی بیان می شود. pH برابر با منفی لگاریتم فعالیت یون هیدروژن در محلول است که در محلول های رقیق تقریبا برابر غلظت آن بر حسب مول بر لیتر است:

pH = −log[H+]

در محلول های آبی:

• pH کمتر از ۷: محلول اسیدی است.

• pH برابر ۷: محلول خنثی است (در دمای ۲۵ درجه).

• pH بیشتر از ۷: محلول قلیایی (بازی) است.

چون مقیاس pH لگاریتمی است، هر یک واحد تغییر pH به معنای ده برابر تغییر در غلظت یون هیدروژن است. محدوده رایج pH بین ۰ تا ۱۴ است، اما محلول های بسیار غلیظ می توانند خارج از این محدوده باشند.

پی اچ متر چیست؟

پی اچ متر دستگاهی است که فعالیت یون هیدروژن را در محلول های آبی اندازه گیری کرده و میزان اسیدی یا قلیایی بودن آنها را تعیین می کند.

این روش ها مقدار تقریبی pH را نشان می دهند و فقط برای بررسی های کلی مناسب اند. برای اندازه گیری دقیق pH، از پی اچ متر های الکترونیکی که با الکترود کار می کنند استفاده می شود.

به این دستگاه پی اچ متر پتانسیومتری نیز می گویند، چون اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترود pH (الکترود شیشه ای) و الکترود مرجع را اندازه گیری می کند.

تاریخچه پی اچ متر

• سال ۱۹۰۹: فریتز هابر، شیمیدان آلمانی و برنده جایزه نوبل، به همراه شاگردش زیگمونت کلمنسویچ، الکترود شیشه ای را برای اندازه گیری pH معرفی کردند.

• سال ۱۹۳۴: آرنولد بکمن، شیمیدان آمریکایی، پی اچ متر الکترونیکی را توسعه داد که پایه پی اچ متر های امروزی شد.

ساختار پی اچ متر

پی اچ متر از یک دستگاه اندازه گیری و یک پروب (الکترود) تشکیل شده که سیگنال الکتریکی را به دستگاه منتقل می کند. پروب شامل دو الکترود است:

الکترود شیشه ای (حسگر)

این الکترود یک حباب شیشه ای بسیار نازک و ویژه در انتهای خود دارد که به یون هیدروژن حساس است. داخل حباب یک محلول بافر (معمولا با pH برابر ۷) و یک سیم نقره پوشیده از کلرید نقره (Ag/AgCl) قرار دارد.

الکترود مرجع

الکترود مرجع معمولا یک سیم Ag/AgCl است که در محلول کلرید پتاسیم (KCl) غوطه ور است و از طریق یک اتصال متخلخل با محلول نمونه ارتباط دارد. این الکترود پتانسیل ثابتی دارد که به pH نمونه بستگی ندارد.

اصول کار پی اچ متر

وقتی الکترود در محلول نمونه قرار می گیرد، روی سطح شیشه یک لایه ژل مانند تشکیل می شود که در آن یون های هیدروژن محلول با یون های فلزی شیشه (مانند سدیم) تبادل می شوند. به این ترتیب، بین سطح داخلی و خارجی حباب شیشه ای یک اختلاف پتانسیل ایجاد می شود که به تفاوت فعالیت یون هیدروژن در محلول نمونه و بافر داخلی بستگی دارد.

الکترود مرجع یک پتانسیل ثابت فراهم می کند. پی اچ متر اختلاف ولتاژ بین دو الکترود را اندازه گیری کرده و آن را به مقدار pH تبدیل می کند. نکته مهم این است که در این اندازه گیری تقریبا هیچ جریانی عبور نمی کند و دستگاه فقط ولتاژ را می سنجد.

معادله نرنست

رابطه بین ولتاژ و pH از معادله نرنست پیروی می کند. در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد، به ازای هر یک واحد تغییر pH، ولتاژ الکترود حدود ۵۹.۱۶ میلی ولت تغییر می کند:

• در pH برابر ۷، ولتاژ تقریبا صفر است.

• در محلول های اسیدی (pH کمتر از ۷)، ولتاژ مثبت است.

• در محلول های قلیایی (pH بیشتر از ۷)، ولتاژ منفی است.

این شیب به دما وابسته است و به همین دلیل دما در اندازه گیری pH اهمیت دارد.

اجزای ابزار دقیق پی اچ متر

ولت متر با امپدانس ورودی بالا

حباب شیشه ای مقاومت الکتریکی بسیار بالایی دارد، بنابراین پی اچ متر باید یک ولت متر با امپدانس ورودی بسیار بالا داشته باشد تا بتواند ولتاژهای بسیار کوچک الکترود را بدون کشیدن جریان اندازه گیری کند. ریزپردازنده دستگاه این ولتاژ را به pH تبدیل کرده و روی صفحه نمایش نشان می دهد.

الکترود ترکیبی

در بیشتر پی اچ مترهای امروزی، الکترود شیشه ای و الکترود مرجع در یک بدنه واحد ساخته می شوند که به آن الکترود ترکیبی می گویند. اندازه گیری اصلی در این بخش انجام می شود. الکترود گران ترین و حساس ترین بخش پی اچ متر است و عمر محدودی دارد، بنابراین یک قطعه مصرفی محسوب می شود.

تقویت کننده

تقویت کننده سیگنال بسیار ضعیف الکترود را به سطحی می رساند که مدار دستگاه بتواند آن را به دقت پردازش کند و مقدار pH را در محدوده ۰ تا ۱۴ نمایش دهد.

پروب دما و جبران دما

بسیاری از پی اچ مترها یک حسگر دما دارند و به طور خودکار اثر دما را جبران می کنند (ATC). دما به دو صورت روی pH اثر دارد:

• تغییر شیب الکترود: که با جبران خودکار دما اصلاح می شود.

• تغییر واقعی pH محلول با دما: که جبران نمی شود. به همین دلیل همیشه باید دمای اندازه گیری را همراه با pH گزارش کرد.

انواع پی اچ متر بر اساس قابلیت حمل

پی اچ متر قلمی (تستر)

پی اچ متر های قلمی ارزان، کوچک و به اندازه یک خودکار هستند. این دستگاه ها در کشاورزی، هیدروپونیک، تولید مواد غذایی و نگهداری استخر کاربرد زیادی دارند.

پی اچ متر دستی (پرتابل)

پی اچ متر های دستی ساختار مستحکم تری دارند و کمی بزرگ تر از انواع قلمی هستند. الکترود این دستگاه ها جدا از بدنه است و بسته به نیاز قابل تعویض است. برای مثال، برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد مانند گوشت و پنیر از الکترود نوک نیزه ای استفاده می شود.

این پی اچ متر ها برای کار در محل طراحی شده اند و در تحقیقات میدانی محیط زیست، آبزی پروری، کشاورزی و تصفیه آب کاربرد دارند.

پی اچ متر رومیزی

پی اچ متر های رومیزی بزرگ ترین و معمولا دقیق ترین نوع هستند و برای آزمایشگاه ها و محیط های حرفه ای ایده آل اند. بسیاری از آنها امکاناتی مانند ثبت داده، کالیبراسیون چندنقطه ای و اندازه گیری پارامترهای دیگر را نیز دارند.

انواع پی اچ متر بر اساس نمایشگر

پی اچ متر آنالوگ

پی اچ متر آنالوگ نوع قدیمی تر است که یک عقربه روی صفحه مدرج، مقدار pH را نشان می دهد. خواندن دقیق عدد در این دستگاه ها دشوارتر است و احتمال خطای خواندن بیشتر است.

پی اچ متر دیجیتال

در پی اچ متر دیجیتال، مقدار pH به صورت عدد روی صفحه نمایش داده می شود که خواندن آن را ساده تر و دقیق تر می کند. اصول اندازه گیری در پی اچ متر های آنالوگ و دیجیتال یکسان است.

کالیبراسیون پی اچ متر

چون پتانسیل الکترود با گذشت زمان و استفاده تغییر می کند، پی اچ متر باید به طور منظم با محلول های بافر استاندارد کالیبره شود:

1. الکترود را با آب مقطر بشویید و با دستمال نرم به آرامی خشک کنید (حباب شیشه ای را نمالید).

2. ابتدا دستگاه را با بافر pH ۷ کالیبره کنید.

3. سپس با بافر دوم، معمولا pH ۴ یا pH ۱۰ (بسته به محدوده نمونه ها)، کالیبراسیون را ادامه دهید.

4. برای دقت بیشتر، کالیبراسیون سه نقطه ای با بافرهای ۴، ۷ و ۱۰ انجام دهید.

5. شیب الکترود را که دستگاه نمایش می دهد بررسی کنید؛ شیب بین حدود ۹۵ تا ۱۰۵ درصد معمولا قابل قبول است.

نکات نگهداری الکترود پی اچ متر

• الکترود را در محلول نگهداری (معمولا KCl با غلظت ۳ مولار) نگه دارید و هرگز اجازه ندهید خشک شود.

• الکترود را در آب مقطر نگهداری نکنید، چون باعث کاهش عمر و کندی پاسخ آن می شود.

• بین اندازه گیری ها الکترود را با آب مقطر بشویید.

• از بافرهای تاریخ گذشته یا آلوده برای کالیبراسیون استفاده نکنید.

• اگر پاسخ الکترود کند شد یا شیب آن از محدوده مجاز خارج شد، آن را تمیز یا تعویض کنید.

کاربردهای پی اچ متر

• آنالیزهای آزمایشگاهی شیمی و بیوشیمی

• کنترل کیفیت در صنایع غذایی و نوشیدنی

• محیط های کشت میکروبی و سلولی

• آنالیز خاک و کشاورزی

• تصفیه آب و فاضلاب

• آبزی پروری و نگهداری استخر

• صنایع دارویی و آرایشی

سوالات متداول درباره پی اچ متر

پی اچ متر چه چیزی را اندازه می گیرد؟

پی اچ متر فعالیت یون هیدروژن در محلول را اندازه می گیرد و میزان اسیدی یا قلیایی بودن آن را بر حسب pH نشان می دهد.

پی اچ متر را هر چند وقت یک بار باید کالیبره کرد؟

در کارهای دقیق آزمایشگاهی معمولا روزانه یا پیش از هر سری اندازه گیری، و در کاربردهای عمومی به صورت منظم و طبق توصیه سازنده.

الکترود پی اچ متر را در چه محلولی نگه داریم؟

در محلول نگهداری مخصوص الکترود، معمولا KCl با غلظت ۳ مولار، و نه در آب مقطر.

تفاوت کاغذ pH و پی اچ متر چیست؟

کاغذ pH مقدار تقریبی pH را با تغییر رنگ نشان می دهد، اما پی اچ متر مقدار دقیق pH را به صورت عددی اندازه گیری می کند.

چرا دما روی اندازه گیری pH اثر دارد؟

چون هم شیب پاسخ الکترود و هم pH واقعی محلول با دما تغییر می کنند.

جمع بندی

پی اچ متر با اندازه گیری اختلاف ولتاژ بین الکترود شیشه ای و الکترود مرجع، pH محلول را به دقت تعیین می کند. این دستگاه ها در انواع قلمی، دستی و رومیزی و با نمایشگر آنالوگ یا دیجیتال عرضه می شوند و در آزمایشگاه ها، صنایع غذایی، کشاورزی، تصفیه آب و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارند.

برای رسیدن به نتایج دقیق، کالیبراسیون منظم با بافرهای استاندارد و نگهداری صحیح الکترود ضروری است. برای آشنایی با محصولات و تجهیزات آزمایشگاهی بلورآزما، به صفحه محصولات مراجعه کنید.