انواع دستگاه پی اچ متر (pH متر)

پی اچ متر (pH متر) یک ابزار علمی است که برای اندازه گیری اسیدیته یا قلیایی بودن یک محلول استفاده می شود که بر اساس pH بیان می شود.

آگاهی از pH در بسیاری از موقعیت ها، از جمله آنالیزهای آزمایشگاهی شیمیایی، مفید و حتی حیاتی است و کاربردهای گسترده ای در تمامی حوزه ها دارد.

امروزه با پیشرفت‌ های ابزار دقیق و سیستم های تشخیصی و همچنین گسترش علوم، تعداد کاربردهایی را که می‌ توان در آنها اندازه‌ گیری pH انجام داد را افزایش داده است.

دستگاه‌ های پی اچ متر امروزی کوچک شده‌ اند و حتی امکان اندازه‌ گیری مستقیم pH داخل سلول‌ های زنده را نیز فراهم می‌ کنند و علاوه بر مایعات، الکترودهای طراحی شده ویژه ای برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد مانند غذاها موجود است.

در این مقاله، به تعریف پی اچ متر و انواع آن، عملکرد آنها را مورد بحث قرار خواهیم داد. این راهنما تمام اطلاعاتی را که باید در مورد pH متر بدانید را در اختیار شما قرار می دهد.

پی اچ (pH)

واحد اندازه گیری اسیدیته یا قلیائیت یک محلول آبی را با استفاده از یک مقیاس لگاریتمی اندازه گیری می کنند، جایی که مقادیر پایین تر اسیدی تر و مقادیر بالاتر قلیایی تر بوده و به عنوان pH شناخته می شود.

در محلول آبی حاصلضرب غلظت یون هیدروژن و غلظت یون هیدروکسیل ثابت است و pH برابر با لگاریتم منفی غلظت یون های هیدروژن است که بر حسب مول بر لیتر ارائه می شود.

pH = -log₁₀[H+]

که در آن، [H+] = غلظت یون هیدروژن محلول است که بر حسب مول بر لیتر بیان می شود.

مقیاس pH

پی اچ متر چیست؟

بر اساس تعاریف بالا، pH متر یک ابزار آماری است که فعالیت یون هیدروژن را در محلول های مبتنی بر آب نظارت می کند و اسیدیته یا قلیایی بودن آن را تعیین می کند.

PH متر ابزاری است که برای اندازه گیری این مقیاس (0-14) استفاده می شود که 7 خنثی، 0 اسیدی ترین و 14 قلیایی ترین است.

احتمالاً با کاغذهای شناساگر (پی اچ متر) آشنا هستید. این شناساگرها مقادیر تقریبی از pH را ارائه می دهند و تنها برای آنالیزهای کلی مفید و مناسب هستند.

کاغذ شناساگر لیتموس

اندازه گیری دقیق pH، توسط دستگاه های الکتریکی پی اچ متر حاصل می شود که با استفاده از الکترود عمل می کنند و امروزه انواع مختلفی دارند.

از این دستگاه به عنوان “pH متر پتانسیومتری” نیز یاد می شود زیرا تفاوت پتانسیل الکتریکی بین الکترود pH و الکترود مرجع را اندازه گیری می کند.

پایش pH در زمینه هایی مانند تولید مواد غذایی خاص، محیط کشت، محلول های شیمیایی، خاک، کنترل کیفیت و غیره بسیار مهم است، تنها چند حوزه ای هستند که پایش pH در آنها بسیار مهم است.

مفهوم الکترود شیشه ای اولین بار در سال 1909 توسط شیمیدان آلمانی برنده جایزه نوبل، Fritz Haber (1868-1934) به همراه شاگردش Zygmunt Klemensiewicz معرفی شد.

در سال 1934، Arnold Beckman شیمیدان آمریکایی (1900-2004)، pH سنج الکترونیکی معاصر را توسعه داد.

پی اچ متر های Beckman

ساختار کلی یک pH متر

اصل عملکردی یک پی اچ متر به تبادل یون از محلول نمونه به محلول داخلی (بافر pH 7) متکی است و دارای یک پروب برای هدایت سیگنال های الکتریکی به ذستگاه است که مقدار pH محلول را نشان می دهد. این پروب شامل دو الکترود است:

• الکترود حسگر داخلی
• الکترود مرجع

الکترود داخلی معمولاً یک سیم نقره ای است که با کلرید نقره (سیم Ag/AgCl) یا کلرید پتاسیم پوشیده می شود و الکترود مرجع اغلب از همان مواد تشکیل شده است.

داخل پروب محلول بافری با pH 7 است. pH اندازه‌ گیری شده، تفاوت در [H+] بین بافر مرجع داخل پروب و محلول نمونه است.

بنابراین، مهم است که قبل از انجام هر گونه اندازه گیری، دستگاه را با محلول های بافر مناسب کالیبره کنید. شکل زیر یک تصویر ساده از یک الکترود شیشه ای است که با pH متر استفاده می شود.

شماتیک ساده از عملکرد پی اچ متر

اصل عملکردی پی اچ متر

هنگامی که کاوشگر (پروب) در محلول نمونه غوطه ور می شود، یون های هیدروژن در اطراف الکترود جمع می شوند و جای یون های فلزی را می گیرند.

به طور مشابه، مقداری یون فلزی از الکترود شیشه ای (حسگر) به محلول نمونه منتقل می شود. به دلیل حساسیت کم به تغییرات pH یا عدم حساسیت کامل به تغییرات pH، پتانسیل الکترود مرجع ولتاژ ثابتی را ارائه می دهد.

این پتانسیل، جریان الکتریکی ایجاد می کند که توسط سیم نقره ای با ایجاد اختلاف پتانسیل (فعالیت یون هیدروژن) جذب می شود. pH متر نیز با مقایسه ولتاژ تولید شده با الکترود مرجع، ولتاژ این جریان الکتریکی را به مقدار pH تبدیل می کند.

افزایش اسیدیته محلول منجر به غلظت بالاتر یون هیدروژن می شود که ولتاژ را افزایش می دهد. به طور مشابه، افزایش قلیاییت باعث کاهش یون های هیدروژن می شود.

ابزار دقیق یک پی اچ متر

امپدانس سنج ورودی بالا

اپدانس سنج، جزء کلیدی است که در ریزپردازنده ها وجود دارد تا بتوانند ولتاژهای بسیار کوچک الکترود را پردازش کنند و اندازه‌ گیری‌ ها را در واحدهای pH بر روی صفحه نمایش دهند.

این ریزتراشه pH محلول را می خواند، دمای اندازه گیری را محاسبه می کند و مقدار ولتاژ تقویت کننده را ترجمه می کند.

الکترود های ترکیبی

این بخش از دو الکترود تشکیل شده است که اندازه گیری واقعی در آنجا انجام می شود و در حقیقت، گران ترین، حساس ترین و قابل مصرف ترین جزء پی اچ متر است.

الکترودهای مرجع و حسگر که هر دو در یک محلول غوطه ور هستند، الکترود ترکیبی را تشکیل می دهند.

الکترودهای مرجع به دلیل غلظت بالای یون و پایداری کافی در محدوده وسیع دمایی، مقاومت الکتریکی پایین و پتانسیل ثابتی دارند (مستقل از محلول اندازه گیری شده).

ساختمان الکترود ترکیبی

تقویت کننده (Amplifire)

یک امپلی فایر که به عنوان تقویت کننده ولتاژ نیز شناخته می شود، نقش حیاتی در اندازه گیری مقدار pH ایفا می کند. تقویت کننده دقت خواندن pH را به همان روشی که دماسنج محاسبات مربوط به دما را افزایش می دهد، افزایش می دهد.

برای اندازه‌گیری دقیق مقدار اسیدیته، قلیایت و خنثی بودن یک محلول، این مولفه اطمینان حاصل می‌ کند که شمارش ولتاژ در محدوده pH 0 تا 14 است.

پروب دماسنج

برخی از pH سنج ها می توانند دمای محلول نمونه برداری شده را نیز اندازه گیری کنند و آن اطلاعات را در قرائت نهایی بگنجانند (دمای محلول به طور مستقیم بر pH تأثیر می گذارد).

انواع pH متر بر اساس قابلیت حمل

تسترهای قلمی

تسترهای قلمی، ارزان قیمت بوده و به اندازه یک کتاب جیبی هستند و کاربردهای زیادی در ساختمان، هیدروپونیک، تولید مواد غذایی و صنایع مراقبت از استخر یا آبگرم دارند.

پی اچ متر قلمی

پی اچ متر های دستی

pH متر های دستی اغلب ساختاری مستحکم تر داشته و کمی بزرگ تر از تسترهای قلمی دارند و الکترود مستقل از دستگاه ساخته می شود.

بسته به نیاز شما برای اندازه گیری pH، الکترودها قابل تعویض هستند. به عنوان مثال، برای اقلام متوسط تا سفت، از الکترودهای نوک نیزه ای استفاده می شود.

این نوع پی اچ متر ها برای استفاده های میدان طراحی شده اند و ناظرین محیط زیست از آنها در تحقیقات میدانی، آبزی پروری، کشاورزی و تصفیه آب استفاده می کنند.

یک پی اچ سنج دستی

pH متر رومیزی

بزرگ ترین دسته از سه گروه pHمتر، انواع رومیزی هستند که اغلب دقیق ترین نوع نیز هستند که آنها را برای استفاده در آزمایشگاه ها و محیط های حرفه ای ایده آل می کند.

نمونه ای از یک پی اچ سنج رومیزی دیجیتال

انواع pH متر بر اساس خوانش

pH متر آنالوگ

pH متر آنالوگ نوع اصلی و اولیه است که دارای یک اشاره گر (صفحه درجه بندی) است که سطح pH را نشان می دهد. پس از قرار دادن الکترود اندازه گیری در نمونه، سوزن به سمت عدد pH حرکت می کند.

در هنگام استفاده از این نوع pH متر، باید مراقب بود تا اعداد به طور دقیق خوانده شود و احتمال خطا بسیار است.

یک پی اچ سنج آنالوگ

pH متر دیجیتال

توسعه pH سنج های آنالوگ منجر به ایجاد pH متر دیجیتال شد که عدد دیجیتالی بر روی دستگاه اندازه گیری، میزان PH در حال اندازه گیری است.

این امر به دست آوردن نتایج دقیق در مورد نمونه ها را ساده تر می کند. با این حال، عملیات اصلی pH سنج های آنالوگ و دیجیتال هنوز یکسان است.

pH معده

سخن پایانی

پایش pH در زمینه هایی مانند تولید مواد غذایی خاص، محیط کشت، محلول های شیمیایی، خاک، کنترل کیفیت و غیره بسیار مهم است.

پی اچ مترهای مدرن امروژی اندازه گیری دقیقی از pH ارائه می دهند و بسته به میزان حساسیت و نوع کاربرد، انواع مختلفی دارند.

امیدواریم که این مقاله مفید بوده است. دعوت می کنیم از دیگر مقالات و محصولات بلورآزما هم دیدن کنید.

منابع و مراجع

Wikipedia