| Historia Nesteiden happamuuden mittaamisen historia alkoi vuonna 1906, kun Max Cremer tutkimuksissaan nestemäisistä rajapinnoista [1] (nesteiden ja kiinteiden aineiden vuorovaikutukset) havaitsi, että nesteiden rajapinta voidaan tutkia puhaltamalla ohut lasikupla ja asettamalla yksi neste sen sisällä ja toinen ulkopuolella. Se loi sähköpotentiaalin, joka voitiin mitata. |
Tätä ajatusta veivät edelleen Fritz Haber (joka keksi ammoniakin ja keinotekoisten lannoitteiden synteesin) ja Zygmunt Klemsiewicz [2], jotka löysivät, että lasisipulia (jonka hän nimitti lasielektrodiksi ) voitiin käyttää mitata vetyionien aktiivisuutta ja että tämä seurasi logaritminen funktio.
Tanskalainen biokemisti Soren Sorensen keksi sitten pH-asteikon vuonna 1909.
Koska lasin seinämän vastus on erittäin korkea, tyypillisesti välillä 10 - 100 megaohmia, lasielektrodijännitettä ei voitu mitata tarkasti ennen kuin elektroniputket keksittiin. Myöhemmin silti keksintö kenttävaikutteisiin transistoreihin (FET) ja integroituihin piireihin (IC) lämpötilan kompensoinnilla mahdollisti lasielektrodin jännitteen mittaamisen tarkasti. Yhden pH-yksikön tuottama jännite (esimerkiksi pH = 7,00 - 8,00) on tyypillisesti noin 60 mV (milli volttia). Nykyiset pH-mittarit sisältävät mikroprosessoreita, jotka tekevät tarvittavat korjaukset lämpötilaan ja kalibrointiin. Siitä huolimatta nykyaikaiset pH-mittarit kärsivät edelleen ajelehtimisesta (hitaat muutokset), minkä vuoksi niitä on tarpeen kalibroida usein.
Lasin kemiassa on myös tehty parannuksia siten, että suolan ja halogeeni-ionien aiheuttama pilaantuminen voidaan pysäyttää. Vertailuselektrodilla, jossa perinteisesti käytettiin hopeakloridia (AgCl), on korvattu kalomel (elohopeakloridi, HgCl2 ) elektrodi, joka käyttää elohopeakloridia (HgCl) kaliumkloridiliuoksessa (KCl) geelinä (kuten gelatiini). Mutta elektrodoilla ei ole iankaikkista elämää ja ne on vaihdettava, kun ne ajautuvat kohtuuttomasti tai vievät epätavallisen kauan asettuakseen.
[1] Cremer M (1906): Z. Biol, 47, 562
[2] Haber F ja Z Klemensiewicz (1909): Z. Physik. Chem., 67, 385
PH-mittari mittaa olennaisesti sähkökemiallisen potentiaalin lasielektrodin sisällä olevan tunnetun nesteen (kalvon) ja tuntemattoman nesteen välillä. Koska ohut lasipullo antaa pääasiassa ketterille ja pienille vetyioneille olla vuorovaikutuksessa lasin kanssa, lasielektrodi mittaa vetyionien sähkökemiallisia potentiaaleja tai vetypotentiaalia . Sähköpiirin suorittamiseksi tarvitaan myös vertailuelektrodi. Huomaa, että instrumentti ei mittaa virtaa, vaan vain sähköjännitettä, mutta silti tarvitaan pieni ionien vuoto vertailuelektrodista, muodostaen johtavan sillan lasielektrodiin. PH-mittaria ei siis saa käyttää liikkuvissa nesteissä, joiden johtavuus on alhainen (mitata pienten astioiden sisällä on siis parempi).
 PH-mittari mittaa vertailuelektrodin elohopeakloridin ja sen kaliumkloridinesteen, tuntemattoman nesteen, lasielektrodin sisäisen liuoksen ja potentiaalin (liuoksen ja hopeaelektrodi. Mutta vain tuntemattoman nesteen ja lasielektrodin sisällä olevan liuoksen välinen potentiaali muuttuu näytteestä toiseen. Joten kaikki muut potentiaalit voidaan kalibroida yhtälöstä. |
Kalomelin vertailuelektrodi koostuu lasiputkesta, jossa on kaliumkloridi (KCl) -elektrolyytti, joka on läheisessä kosketuksessa elohopeakloridielementin kanssa KCL-elementin päässä. Se on hauras rakenne, jota yhdistää huokoisesta keraamisesta tai vastaavasta materiaalista valmistettu nestemäinen liitoskärki. Tällainen elektrodi ei ole helposti myrkytetty raskasmetalleilla ja natriumilla.
Lasielektrodi koostuu tukevasta lasiputkesta, johon on hitsattu ohut lasipullo. Sisällä on tunnettu liuos kaliumkloridia (KCl), puskuroitu pH-arvoon 7,0. Hopea elektrodi hopeakloridikärjellä saattaa kosketukseen sisäliuoksen kanssa. Elektronisten häiriöiden minimoimiseksi koetin on suojattu kalvosuojalla, joka löytyy usein lasielektrodin sisäpuolelta.
Useimmissa nykyaikaisissa pH-mittarissa on myös termistorilämpötila-anturi, joka mahdollistaa automaattisen lämpötilankorjauksen, koska pH vaihtelee jonkin verran lämpötilan mukaan.
| Vesi on tärkein ja ihmeellinen aine maan päällä. Sen molekyylit HOH muodostavat bumerangin muodon, jonka O-pää on hieman negatiivinen ja H2 + -pää on hieman positiivisesti varautunut. Nämä varautuneet boomerangit vetoavat toisiinsa muodostaen yhteenkuuluvuuden saaria siten, että vesi muodostaa nesteen lämpötiloissa, joissa elämä kukoistaa, kun taas sen olisi todella pitänyt olla erittäin haihtuvaa kaasua, kuten rikkivetyä (H2S), jolla on melkein kaksinkertainen moolimassa. Maan pinnalla vettä esiintyy kiinteässä muodossa (jää), nestemäisessä muodossa (vesi) ja kaasumaisessa muodossa (höyry tai vesihöyry). Kylmissä tiloissa kaikki kolme vaihetta esiintyvät rinnakkain. Vesi on myös ainutlaatuista siinä mielessä, että se on sekä happo (H + -ioneilla) että lipeä (OH-ionien kanssa). Se on siis sekä hapan että emäksinen (emäksinen) samaan aikaan, aiheuttaen sen olevan ehdottoman neutraali, koska H + -ionien lukumäärä on sama kuin OH-ionien. Vahvan koheesionsa takia vain harvat vesimolekyylit dissosioituvat (jakautuvat) niiden muodostamoissa ioneissa: vetyioneissa (H +) ja hydroksyyli-ioneissa (OH-). Kemistit vaativat, että H + -ionit ovat todella H3O + -ionit tai hydroniumionit. Tietäen, että yksi vesimolaari painaa 18 grammaa (1 + 1 + 16), joka vastaa 18 ml, ja että tämä määrä sisältää erittäin suuren määrän molekyylejä [1], vain 0,1 miljoonasosa (10 -7 ) moolia dissosioituu litrassa vettä (pH = 7). [2] Lasielektrodin sisäosan ja ulkopinnan välinen potentiaaliero johtuu piinoksideista lasin sivussa: Kun ioninen tasapaino on saatu aikaan, lasiseinän ja liuoksen välinen potentiaaliero annetaan yhtälöllä: Vaikka nykyaikaisissa pH-lasielektrodeissa on tapahtunut merkittäviä parannuksia, ne eivät edelleenkään pidä joistakin aineista, joissa on vähän H + -ionia, kuten alkalihydroksidit (NaOH ja KOH), puhdasta tislattua vettä, syövyttäviä aineita, kuten fluoridi, adsorboivia aineita, kuten raskasmetalleja ja proteiineja. Useimmissa nykyaikaisissa pH-mittarissa on sisäänrakennetut lämpötila-anturit, jotka korjaavat lämpötilan poikkeaman automaattisesti, jotta saadaan arvot, kuin jos ne olisi otettu 25ºC: n standardilämpötilassa. Lämpötila pH: ssa = 7,00 ei vaikuta lukemaan, mutta sen ulkopuolella 0,003 / ºC. Siten pH, joka on otettu 5ºC: n lämpötilassa (20º 25ºC: n päässä) ja joka osoittaa 4,00, on korjattava alaspäin 0,003 x 20 x 3,00 = 0,18. Samoin pH-arvo 10,00 on korjattava ylöspäin tällä määrällä. |
PH-mittarin ylläpito riippuu käytetyn elektrodin tyypistä. Tutki valmistajan suosituksia. Usein käytettäessä on parempi pitää elektrodi kosteana, koska kuivan elektrodin kosteuttaminen vie kauan, ja siihen liittyy signaalin siirtyminen. Nykyaikaiset pH-mittarit eivät kuitenkaan häiritse niiden elektrodien kuivumista, mikäli ne on huuhdeltu perusteellisesti vesijohtovedellä tai kaliumkloridilla. Kun retkikunta mittaa merivettä, pH-mittari voidaan jättää kosteaksi meriveden kanssa. Pitkäksi ajaksi suositellaan kuitenkin kosteuttamaan sitä kaliumkloridiliuoksella, jonka pH on 4 tai pH = 4,01 happamassa kalibrointipuskurissa. pH-mittarit eivät halua jättää tislattuun veteen.
Huomaa, että happamassa liuoksessa kosteana pidetty pH-koetin voi vaikuttaa tuloksiin, jos sitä ei huuhdella ennen sen asettamista testipulloon. Muista, että nesteellä, jonka pH = 4, on 10 000 enemmän vetyioneja kuin nesteellä, jonka pH = 8. Näin ollen yksi tippa pH = 4 injektiopullossa, joka mittaa 400 tippaa pH = 8, todella häiritsee mittauksia! Muista myös, että kalibrointiliuokset koostuvat kemiallisista puskureista, jotka ”yrittävät” pitää pH-tasot vakiona, joten koepulloon saastuminen puskurilla on todella vakavaa.
[1] Avogadro-vakio on 602 213 670 000 000 000 000 000 (602 214 miljardia triljoonaa) tai 6,02 E23, nimeltään Amedeo Avogadro. Yksi mooli kemiallista ainetta sisältää tämän määrän molekyylejä. Amedeo Avogadro (1776-1856) oli italialainen fyysikko. Hän ehdotti vuonna 1811 kuuluisaa hypoteesiaan, joka tunnetaan nykyään Avogadro-lakina. Lain mukaan yhtä suuret määrät kaikkia kaasuja samassa lämpötilassa ja paineessa sisältävät saman määrän molekyylejä. Avogadro erotti myös atomin ja molekyylin ja mahdollisti oikean atomipainojen taulukon määrittämisen.
[2] Seafriends-verkkosivustolla käytämme usein eksponentiaalista merkintää E, niin että 2.34E-4 tarkoittaa 2.34 x 10 -4 .
| 0 | 5% rikkihappo, H2SO4, akkuhappo. |
| 1 | 0,1 N HCI, suolahappo (1.1) |
| 2 | Sitruunamehua. Etikka (2.4-3.4) |
| 3 | viini (3,5-3,7) |
| 4 | Appelsiinimehu. Omenamehu (3.8). Olut. Tomaatit. |
| 5 | Raejuusto. Musta kahvi. Sadevesi 5.6. |
| 6 | Maito. Kalat (6,7-7). kana (6,4-6,6). |
| 7 | Neutraali: yhtä suuret määrät vety- ja hydroksyyli-ioneja. Veri (7,3 - 7,4). Tislattu vesi ilman CO2: ta keittämisen jälkeen. |
| 8 | Merivesi (8.1). Munanvalkuainen. |
| 9 | Borax. ruokasooda. |
| 10 | Magnesiummaito, magnesiumhydroksidi Mg (OH) 2. |
| 11 | Kotitalouden ammoniakki |
| 12 | Valokuvakehittäjä, kotitalousvalkaisuaine |
| 13 | Uuninpuhdistin |
| 14 | Natriumliuos NaOH, 1 mooli / litra. |
