Un medidor de pH es un instrumento científico que mide la actividad de los iones de hidrógeno en soluciones a base de agua , indicando su acidez o alcalinidad expresada como pH . [2] El medidor de pH mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de referencia, por lo que a veces se hace referencia al medidor de pH como "medidor de pH potenciométrico". La diferencia de potencial eléctrico se relaciona con la acidez o el pH de la solución. [3] La prueba de pH mediante medidores de pH ( pH-metría ) se utiliza en muchas aplicaciones que van desde la experimentación de laboratorio hasta el control de calidad . [4]
La velocidad y el resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en el agua a menudo dependen de la acidez del agua y, por lo tanto, es útil conocer la acidez del agua, generalmente medida mediante un medidor de pH. [5] El conocimiento del pH es útil o crítico en muchas situaciones, incluidos los análisis de laboratorio químico . Los medidores de pH se utilizan para mediciones de suelos en agricultura , calidad del agua para suministros municipales , piscinas , remediación ambiental ; elaboración de vino o cerveza; aplicaciones de fabricación , atención sanitaria y clínicas, como química sanguínea ; y muchas otras aplicaciones. [4]
Los avances en la instrumentación y en la detección han ampliado el número de aplicaciones en las que se pueden realizar mediciones de pH. Los dispositivos han sido miniaturizados , lo que permite la medición directa del pH dentro de las células vivas . [6] Además de medir el pH de líquidos, hay disponibles electrodos especialmente diseñados para medir el pH de sustancias semisólidas, como los alimentos. Estos tienen puntas adecuadas para perforar semisólidos, tienen materiales de electrodos compatibles con los ingredientes de los alimentos y son resistentes a la obstrucción. [7]
Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido al valor de pH correspondiente. Constan de un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo combinado, y algún tipo de pantalla calibrada en unidades de pH. Suele tener un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia , o un electrodo combinado. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución a analizar. [8] Los medidores de pH también pueden basarse en el electrodo de antimonio (normalmente utilizado para condiciones difíciles) o el electrodo de quinhidrona .
Para medir con precisión la diferencia de potencial entre los dos lados del electrodo de referencia de la membrana de vidrio , normalmente se requiere un electrodo de cloruro de plata o un electrodo de calomelanos en cada lado de la membrana. Su propósito es medir los cambios en el potencial de su lado respectivo. Uno está integrado en el electrodo de vidrio. El otro, que hace contacto con la solución de prueba a través de un tapón poroso, puede ser un electrodo de referencia separado o puede estar integrado en un electrodo combinado. El voltaje resultante será la diferencia de potencial entre los dos lados de la membrana de vidrio, posiblemente compensada por alguna diferencia entre los dos electrodos de referencia, que puede compensarse. El artículo sobre el electrodo de vidrio tiene una buena descripción y figura.
El diseño de los electrodos es la parte clave: se trata de estructuras en forma de varillas, normalmente hechas de vidrio, con una bombilla que contiene el sensor en la parte inferior. El electrodo de vidrio para medir el pH tiene una bombilla de vidrio diseñada específicamente para ser selectiva con respecto a la concentración de iones de hidrógeno. Al sumergirse en la solución a probar, los iones de hidrógeno en la solución de prueba se intercambian por otros iones cargados positivamente en el bulbo de vidrio, creando un potencial electroquímico a través del bulbo. El amplificador electrónico detecta la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos generados en la medición y convierte la diferencia de potencial a unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través del bulbo de vidrio está relacionada linealmente con el pH según la ecuación de Nernst .
El electrodo de referencia es insensible al pH de la solución y está compuesto por un conductor metálico que se conecta al display. Este conductor se sumerge en una solución electrolítica, normalmente cloruro de potasio, que entra en contacto con la solución de prueba a través de una membrana cerámica porosa. [9] La pantalla consta de un voltímetro , que muestra el voltaje en unidades de pH. [9]
Al sumergir el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en la solución de prueba, se completa un circuito eléctrico en el que se crea una diferencia de potencial que es detectada por el voltímetro. Se puede considerar que el circuito va desde el elemento conductor del electrodo de referencia hasta la solución de cloruro de potasio circundante, a través de la membrana cerámica hasta la solución de prueba, el vidrio selectivo para los iones de hidrógeno del electrodo de vidrio, hasta la solución dentro del electrodo. electrodo de vidrio, a la plata del electrodo de vidrio y finalmente al voltímetro del dispositivo de visualización. [9] El voltaje varía de una solución de prueba a otra dependiendo de la diferencia de potencial creada por la diferencia en las concentraciones de iones de hidrógeno en cada lado de la membrana de vidrio entre la solución de prueba y la solución dentro del electrodo de vidrio. Todas las demás diferencias de potencial en el circuito no varían con el pH y se corrigen mediante la calibración. [9]
Para simplificar, muchos medidores de pH utilizan una sonda combinada, construida con el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia contenidos en una sola sonda. En el artículo sobre electrodos de vidrio se proporciona una descripción detallada de los electrodos combinados . [10]
El medidor de pH se calibra con soluciones de pH conocido, generalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. [11] Para medir el pH de una solución, los electrodos se utilizan como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno en la solución de prueba se equilibren con los iones en la superficie del bulbo. el electrodo de vidrio. Este equilibrio proporciona una medición de pH estable. [12]
Los fabricantes mantienen los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH como secretos comerciales . [13] : 125 Sin embargo, ciertos aspectos del diseño están publicados. El vidrio es un electrolito sólido, por lo que los iones de metales alcalinos pueden transportar corriente. La membrana de vidrio sensible al pH es generalmente esférica para simplificar la fabricación de una membrana uniforme. Estas membranas tienen un grosor de hasta 0,4 milímetros, más gruesas que los diseños originales, para que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene una funcionalidad química de silicato en su superficie, que proporciona sitios de unión para iones de metales alcalinos e iones de hidrógeno de las soluciones. Esto proporciona una capacidad de intercambio iónico en el rango de 10 −6 a 10 −8 mol/cm 2 . La selectividad por los iones de hidrógeno (H + ) surge de un equilibrio de carga iónica, requisitos de volumen frente a otros iones y el número de coordinación de otros iones. Los fabricantes de electrodos han desarrollado composiciones que equilibran adecuadamente estos factores, sobre todo el vidrio de litio. [13] : 113-139
El electrodo de cloruro de plata se utiliza más comúnmente como electrodo de referencia en medidores de pH, aunque algunos diseños utilizan el electrodo de calomelanos saturado . El electrodo de cloruro de plata es sencillo de fabricar y proporciona una alta reproducibilidad . El electrodo de referencia normalmente consiste en un alambre de platino que está en contacto con una mezcla de plata/cloruro de plata, que está sumergido en una solución de cloruro de potasio. Hay un tapón cerámico que sirve como contacto con la solución de prueba, proporcionando baja resistencia y evitando la mezcla de las dos soluciones. [13] : 76–91
Con estos diseños de electrodos, el voltímetro detecta diferencias de potencial de ±1400 milivoltios. [14] Los electrodos están diseñados además para equilibrarse rápidamente con soluciones de prueba para facilitar su uso . Los tiempos de equilibrio suelen ser inferiores a un segundo, aunque los tiempos de equilibrio aumentan a medida que envejecen los electrodos. [13] : 164
Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la exactitud y precisión . Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no se utilizan con un medio apropiado para la sonda en particular, que normalmente es una solución acuosa disponible de los fabricantes de sondas. [11] [15] Los fabricantes de sondas proporcionan instrucciones para la limpieza y el mantenimiento de sus diseños de sondas. [11] A modo de ilustración, un fabricante de pH de laboratorio da instrucciones de limpieza para contaminantes específicos: limpieza general (remojo de 15 minutos en una solución de lejía y detergente), sal ( solución de ácido clorhídrico seguida de hidróxido de sodio y agua), grasa (detergente o metanol), unión de referencia obstruida (solución de KCl), depósitos de proteínas (pepsina y HCl, solución al 1%) y burbujas de aire. [15] [16]
El Instituto Alemán de Normalización publica una norma para la medición del pH mediante medidores de pH, DIN 19263. [17]
Las mediciones muy precisas requieren que el medidor de pH se calibre antes de cada medición. Lo más habitual es que la calibración se realice una vez por día de funcionamiento. Es necesaria la calibración porque el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante períodos de tiempo más largos. [13] : 238–239
De acuerdo con los principios de buenas prácticas de laboratorio , la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarcan el rango de valores de pH que se van a medir. Para fines generales, son adecuados los tampones a pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para establecer la lectura del medidor igual al valor del primer tampón estándar y un segundo control para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo tampón. Un tercer control permite ajustar la temperatura. Los sobres estándar de tampón, disponibles en diversos proveedores, normalmente documentan la dependencia de la temperatura del control del tampón. A veces, las mediciones más precisas requieren una calibración en tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH proporcionan corrección incorporada del coeficiente de temperatura, con termopares de temperatura en las sondas de los electrodos. El proceso de calibración correlaciona el voltaje producido por la sonda (aproximadamente 0,06 voltios por unidad de pH) con la escala de pH. Las buenas prácticas de laboratorio dictan que, después de cada medición, las sondas se enjuagan con agua destilada o agua desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se secan con un paño científico para absorber el agua restante, que podría diluir la muestra y alterar así la lectura y luego se sumerge en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular. [18]
En general, existen tres categorías principales de medidores de pH. Los medidores de pH de mesa se utilizan a menudo en laboratorios y se utilizan para medir muestras que se llevan al medidor de pH para su análisis. Los medidores de pH portátiles, o de campo, son medidores de pH portátiles que se utilizan para tomar el pH de una muestra en un campo o sitio de producción. [19] Los medidores de pH en línea o in situ, también llamados analizadores de pH, se utilizan para medir el pH continuamente en un proceso y pueden ser independientes o conectarse a un sistema de información de nivel superior para el control del proceso. [20]
Los medidores de pH varían desde dispositivos simples y económicos tipo bolígrafo hasta complejos y costosos instrumentos de laboratorio con interfaces de computadora y varias entradas para mediciones de indicador y temperatura que se ingresan para ajustar la variación del pH causada por la temperatura. La salida puede ser digital o analógica y los dispositivos pueden funcionar con baterías o depender de la alimentación de línea . Algunas versiones utilizan telemetría para conectar los electrodos al dispositivo de visualización del voltímetro. [13] : 197–215
Hay medidores y sondas especiales disponibles para su uso en aplicaciones especiales, como entornos hostiles [21] y microambientes biológicos. [6] También existen sensores de pH holográficos, que permiten la medición del pH de forma colorimétrica , haciendo uso de la variedad de indicadores de pH que se encuentran disponibles. [22] Además, existen medidores de pH disponibles comercialmente basados en electrodos de estado sólido , en lugar de electrodos de vidrio convencionales. [23]
El concepto de pH fue definido en 1909 por SPL Sørensen , y en la década de 1920 se utilizaron electrodos para medir el pH. [24]
En octubre de 1934, Arnold Orville Beckman registró la primera patente para un instrumento químico completo para la medición del pH, la patente estadounidense nº 2.058.761, para su "acidímetro", más tarde rebautizado como medidor de pH. Beckman desarrolló el prototipo como profesor asistente de química en el Instituto de Tecnología de California , cuando se le pidió que ideara un método rápido y preciso para medir la acidez del jugo de limón para el California Fruit Growers Exchange ( Sunkist ). [25] : 131-135
El 8 de abril de 1935, los Laboratorios Técnicos Nacionales de Beckman se centraron en la fabricación de instrumentos científicos, con Arthur H. Thomas Company como distribuidor de su medidor de pH. [25] : 131–135 En su primer año completo de ventas, 1936, la empresa vendió 444 medidores de pH por 60.000 dólares en ventas. [26] En los años siguientes, la empresa vendió millones de unidades. [27] [28] En 2004, el medidor de pH Beckman fue designado Monumento Histórico Nacional Químico de la ACS en reconocimiento a su importancia como el primer medidor de pH electrónico comercialmente exitoso. [26]
La Radiometer Corporation de Dinamarca se fundó en 1935 y comenzó a comercializar un medidor de pH para uso médico alrededor de 1936, pero "se descuidó el desarrollo de medidores de pH automáticos para fines industriales. En cambio, los fabricantes de instrumentos estadounidenses desarrollaron con éxito medidores de pH industriales con una amplia variedad de aplicaciones, como en cervecerías, fábricas de papel, fábricas de alumbre y sistemas de tratamiento de agua". [24]
En la década de 1940, los electrodos para medidores de pH eran a menudo difíciles de fabricar o poco fiables debido al vidrio quebradizo. El Dr. Werner Ingold comenzó a industrializar la producción de células de medición de varilla única, una combinación de electrodo de medición y de referencia en una sola unidad de construcción, [29] lo que condujo a una mayor aceptación en una amplia gama de industrias, incluida la producción farmacéutica. [30]
Beckman comercializó un "medidor de pH de bolsillo" portátil ya en 1956, pero no tenía lectura digital. [31] En la década de 1970, Jenco Electronics de Taiwán diseñó y fabricó el primer medidor de pH digital portátil. Este medidor se vendió bajo la etiqueta de Cole-Parmer Corporation . [32]
Se requiere una fabricación especializada para los electrodos, y los detalles de su diseño y construcción suelen ser secretos comerciales. [13] : 125 Sin embargo, con la compra de electrodos adecuados, se puede utilizar un multímetro estándar para completar la construcción del medidor de pH. [33] Sin embargo, los proveedores comerciales ofrecen pantallas de voltímetro que simplifican su uso, incluida la calibración y la compensación de temperatura. [7]
Haga clic en 'Ayuda para la búsqueda de la colección histórica de Beckman' para ir al documento completo.
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