Ph متر چگونه کار می کند؟

اسیدیته چیست؟

برخی از اسیدها مانند آبلیمو کاملاً بی خطر هستند. بقیه اسیدها پوست شما را می سوزانند و می توانند آسیب دائمی و دردناکی وارد کنند. چگونه می توانید بفهمید کدام یک خطرناک است؟ به سادگی ، با اندازه گیری pH.

اگر به اندازه گیری میزان اسیدیته علاقه دارید و اگر بدانید که قبل از شروع چیست ، به شما کمک می کند! همیشه ما کمترین اطلاعات را داریم که واقعاً اسید یا قلیایی چیست. ما می دانیم که این ماده ای است که می تواند پوست ما را “بسوزاند” (اگرچه این یک سوختگی شیمیایی است ، نه یک گرمازدگی) ، اما این در مورد اسید است. آنچه حتی بیشتر گیج کننده است این است که ما می توانیم با خیال راحت برخی از مواد اسیدی را بخوریم (به عنوان مثال لیمو حاوی اسید سیتریک است) اما برخی دیگر را نمی خوریم (نوشیدن ماده شیمیایی مانند اسید سولفوریک بسیار خطرناک خواهد بود).
اسیدها و قلیاها به سادگی مواد شیمیایی هستند که در آب حل می شوند و یون تشکیل می دهند (اتم های با الکترون زیاد یا خیلی کم). یک اسید در آب حل می شود و یون های هیدروژن با بار مثبت ایجاد می کند (H +) ، با یک اسید قوی یون های هیدروژن بیشتر از یک اسید ضعیف تشکیل می شود. قلیایی (یا باز) در آب حل می شود و یون های هیدروکسید با بار منفی (OH2) تشکیل می شود. باز هم ، قلیاهای قوی تر (که می توانند به اندازه اسیدهای قوی شما را بسوزانند) بیشتر از یون های ضعیف آن یون ها را تشکیل می دهند.

pH چیست؟

مقیاس pH معمولاً از 0 یا 1 تا 14 کشیده می شود. در ادامه با چند مثال روزمره آن را توضیح می دهیم.

pH (همیشه p کوچک ، H بزرگ نوشته می شود) نشانگر تعداد یون های هیدروژن در حجم معینی از آب است. در مورد آنچه که “pH” به معنای واقعی وجود دارد هیچ توافق کاملی وجود ندارد ، اما اکثر مردم آن را به عنوان چیزی مانند “قدرت هیدروژن” یا “پتانسیل هیدروژن” تعریف می کنند. اکنون اینجاست که برای کسانی که ریاضی را دوست ندارند گیج کننده می شود. تعریف مناسب pH این است که منهای لگاریتم فعالیت یون هیدروژن در یک محلول است (یا اگر ترجیح می دهید لگاریتم متقابل فعالیت یون هیدروژن در محلول باشد).
این ساده تر از آن است که به نظر می رسد. بیایید هر بار کمی آن را توضیح دهیم. فرض کنید که در آکواریوم خود مقداری مایعات خرد شده دارید و می خواهید بدانید که آیا برای آن ماهی که می خواهید نگهداری کنید بی خطر است. شما PH متر خود را بر می دارید و آن را درون “آب” قرار می دهید (که در واقع مخلوطی از آب با سایر چیزهای حل شده در آن است). اگر آب بسیار اسیدی باشد ، مقدار زیادی یون هیدروژن فعال و مقدار بسیار کمی یون هیدروکسید وجود خواهد داشت. اگر آب بسیار قلیایی باشد ، عکس این قضیه صادق خواهد بود. اکنون اگر انگشتی پر از آب داشته باشید و PH آن 1 باشد (به طور باورنکردنی ، فوری ، اسیدی ماهی کشنده است) ، یک میلیون بار یون هیدروژن (10 به قدرت 6 ، نوشته شده 10⁶) وجود دارد اگر آب خنثی باشد (نه اسیدی باشد و نه قلیایی) ، با PH 7 نشان داده می شود. این بدان دلیل است که pH 1 به معنای 10¹ است (که فقط 10 است) و pH 7 به معنای 10⁷ (10 میلیون) است ، بنابراین تقسیم این دو به ما 10⁶ (یک میلیون) می دهد. 10 میلیون میلیون (10¹³) یون هیدروژن بیشتر از آب بسیار قلیایی و با PH 14 وجود خواهد داشت. آیا می توانید اکنون ببینید که این اعداد مرموز pH از کجا آمده است؟

توضیخ عکس: مقیاس pH مستقیماً به غلظت   در یک محلول مربوط می شود ، اما نه به روشی ساده و خطی. این رابطه همان چیزی است که ما آن را “نمایی منفی” می نامیم: هرچه pH بالاتر باشد (میزان اسیدیته پایین تر باشد) ، یون های هیدروژن کمتر می شود – اما یون های با pH بالا نسبت به pH پایین بسیار کمتر هستند.
فرض کنید ما تصمیم داریم مقیاس اسیدیته را اختراع کنیم و آن را بسیار اسیدی شروع کنیم و آنرا 1 بنامیم. سپس چیزی خنثی بسیار کمتر خواهد بود (یک میلیونم یا ^6-10برابر یون هیدروژن) و چیزی قلیایی کمتر خواهد بود (این یکی 10 تریلیونمین ، یا یکی 10 میلیون میلیونی ، یا ^13-10 برابر). سر و کار داشتن با همه این میلیون ها و میلیارد و تریلیون ها گیج کننده و سرسام آور است ، بنابراین ما فقط یک لگاریتم از تعداد یون های هیدروژن می گیریم و به قدرت ده مورد در هر مورد اشاره می کنیم. به عبارت دیگر ، pH به معنای ساده مشاهده تعداد (احتمالاً بسیار بزرگ) یون های هیدروژن ، گرفتن توان 10 و حذف علامت منفی است. که به ما PH برای اسیدی فوق العاده ، PH برای خنثی 7 و برای قلیایی با PH 14 می دهد. “به شدت قلیایی” روش دیگری برای گفتن باورنکردنی اسیدی ضعیف است.

pH خاک های مریخ را چگونه اندازه گیری می کنید؟ ساده است! شما یک PH متر را در یک کاوشگر فضایی رباتیک می سازید. کاوشگر فضایی Mars Phoenix Lander از این آزمایشگاه کوچک شیمیایی داخلی برای اندازه گیری جنبه های مختلف خاک مریخ ، از جمله اسیدیته و غلظت فلزات استفاده کرد.

اگر از کاغذ تورق استفاده می کنید ، هیچ یک از این ها مهم نیست. ایده اصلی این است که کاغذ در محلول های بین pH 1 و 14 کمی متفاوت است و با مقایسه نتیجه خود با یک نمودار رنگی ، می توانید اسیدیته یا قلیایی بودن آن را بدون نگرانی از تعداد یون های هیدروژن بخوانید. اما pH متر به نوعی باید غلظت یون های هیدروژن را اندازه گیری کند. چگونه این کار را انجام می دهد؟
یك محلول اسیدی یون های هیدروژن با بار مثبت بیشتری در آن وجود دارد تا یك قلیایی ، بنابراین پتانسیل بیشتری برای تولید جریان الكتریكی در یك وضعیت خاص دارد – به عبارت دیگر ، كمی شبیه به یك باتری است كه می تواند ولتاژ بیشتری تولید كند. pH متر از این مزیت استفاده می کند و مانند یک ولت متر کار می کند: ولتاژ (پتانسیل الکتریکی) تولید شده توسط محلول اسیدیته مورد نظر ما را اندازه گیری می کند ، آن را با ولتاژ محلول شناخته شده مقایسه می کند و از اختلاف ولتاژ استفاده می کند ( “اختلاف پتانسیل“) بین آنها برای استنباط اختلاف pH.

اسید سنج از چه چیزی ساخته شده است؟

یک اسید سنج معمولی دارای دو جز اساسی است: خود متر ، که می تواند یک سیم پیچ متحرک باشد (یکی با اشاره گر که در برابر مقیاس حرکت می کند) یا یک متر دیجیتال (با صفحه نمایش عددی) ، و یا یک یا دو پروب را وارد محلولی می کنید که آزمایش می کنید. برای اینکه جریان الکتریسیته از طریق چیزی جریان یابد ، باید یک مدار الکتریکی کامل ایجاد کنید. بنابراین ، برای اینکه جریان الکتریسیته از طریق محلول آزمایش جریان یابد ، باید دو الکترود (پایانه های الکتریکی) در آن قرار دهید. اگر pH متر شما دارای دو پروب است (مانند آنچه در عکس بالای این مقاله است) ، هر یک الکترود جداگانه ای است. اگر فقط یک کاوشگر داشته باشید ، هر دو الکترود برای سادگی و راحتی در داخل آن ساخته شده اند.
الکترودها مانند الکترودهای معمولی (قطعات ساده سیم فلزی) نیستند. هر کدام به تنهایی یک مجموعه کوچک شیمیایی هستند. الکترودی که مهمترین کار را انجام می دهد ، که به آن الکترود شیشه ای می گویند ، دارای یک سیم الکتریکی مبتنی بر نقره است که در محلول کلرید پتاسیم معلق است ، درون یک لامپ نازک (یا غشا membrane) ساخته شده از یک لیوان مخصوص حاوی نمک های فلزی است (به طور معمول ترکیبات سدیم و کلسیم). الکترود دیگر الکترود مرجع نامیده می شود و دارای سیم کلرید پتاسیم است که در محلول کلرید پتاسیم معلق است.

قسمت های کلیدی pH متر

(1) محلول مورد آزمایش. (2) الکترود شیشه ای ، متشکل از (3) یک لایه نازک شیشه سیلیس حاوی نمک های فلزی ، که در داخل آن محلول کلرید پتاسیم (4) و یک الکترود داخلی (5) ساخته شده از کلرید نقره / نقره وجود دارد. (6) یون های هیدروژن تشکیل شده در محلول آزمایش با سطح خارجی شیشه برهم کنش دارند. (7) یون های هیدروژن تشکیل شده در محلول کلرید پتاسیم با سطح داخلی لیوان برهم کنش دارند. (8) متر اختلاف ولتاژ بین دو طرف شیشه را اندازه گیری می کند و این “اختلاف پتانسیل” را به میزان خواندن PH تبدیل می کند. (9) الکترود مرجع به عنوان یک خط مبنا یا مرجع برای اندازه گیری عمل می کند – یا می توانید تصور کنید که مدار به سادگی کامل شده باشد.

اسید سنج چگونه کار می کند؟

کلرید پتاسیم داخل الکترود شیشه ای (در اینجا به رنگ نارنجی نشان داده شده است) یک محلول خنثی با pH 7 است ، بنابراین حاوی مقدار مشخصی از یون های هیدروژن (H +) است. فرض کنید محلول ناشناخته ای که آزمایش می کنید (آبی) بسیار اسیدی تر است ، بنابراین حاوی یون های هیدروژن بسیار بیشتری است. کاری که الکترود شیشه انجام می دهد اندازه گیری اختلاف pH بین محلول نارنجی و محلول آبی با اندازه گیری اختلاف ولتاژهای تولید شده توسط یون های هیدروژن است. از آنجا که pH محلول نارنجی را می دانیم (7) ، می توانیم pH محلول آبی را بفهمیم.

تبادل یونی در عمل

وقتی دو الکترود را در محلول آزمایش آبی فرو می برید ، برخی از یون های هیدروژن به سمت سطح خارجی الکترود شیشه ای حرکت می کنند و برخی از یون های فلزی داخل آن را جایگزین می کنند ، در حالی که برخی از یون های فلزی از الکترود شیشه ای به سمت آبی حرکت می کنند راه حل. به این فرآیند مبادله یونی تبادل یونی گفته می شود و این کلید کارکرد الکترود شیشه ای است. تعویض یون نیز در سطح داخلی الکترود شیشه ای از محلول نارنجی صورت می گیرد. دو محلول در دو طرف شیشه دارای اسیدیته متفاوت هستند ، بنابراین مقدار متفاوتی از جا به جایی یون در دو طرف شیشه اتفاق می افتد. این باعث ایجاد درجه فعالیت متفاوتی از یون هیدروژن بر روی دو سطح شیشه می شود ، به این معنی که مقدار متفاوتی از بار الکتریکی روی آنها جمع می شود. این اختلاف شارژ به این معنی است که یک ولتاژ کوچک (که گاهی اوقات اختلاف پتانسیل نامیده می شود ، به طور معمول چند ده یا صدها میلی ولت) بین دو طرف شیشه ظاهر می شود ، که باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین الکترود نقره (5) و الکترود مرجع می شود ( 8) که به عنوان اندازه گیری روی متر نشان داده می شود.
اگرچه ph متر در حال اندازه گیری ولتاژ است ، اما آنچه که نشانگر روی مقیاس (یا نمایشگر دیجیتال) به ما نشان می دهد اندازه گیری pH است. هرچه اختلاف ولتاژ بین محلول های نارنجی (داخل) و آبی (بیرون) بیشتر باشد ، تفاوت بین فعالیت یون هیدروژن بین آنها بیشتر است. اگر فعالیت یون هیدروژن در محلول آبی بیشتر باشد ، اسیدی تر از محلول نارنجی است و متر این را به عنوان pH پایین نشان می دهد. به همین ترتیب ، اگر فعالیت یون هیدروژن کمتری در محلول آبی وجود داشته باشد ، متر این را به عنوان PH بالاتر (قلیایی تر) نشان می دهد.

اندازه گیری دقیق pH با اسید سنج

برای اینکه PH متر دقیق باشد ، باید به درستی کالیبره شود (متر به طور دقیق اندازه گیری ولتاژ را به اندازه گیری PH تبدیل می کند) ، بنابراین قبل از شروع استفاده از آنها معمولاً نیاز به آزمایش و تنظیم دارند. (نحوه کالیبره کردن PH متر) شما می توانید pH متر را با غوطه ور کردن در بافرها (محلول های آزمایش pH شناخته شده) کالیبره کنید و متر را بر اساس آن تنظیم کنید. یکی دیگر از موارد مهم این است که اندازه گیری pH به این روش به دما بستگی دارد. بعضی از اسید سنج ها نیاز به دماسنج داخلی دارند و با تغییر دما ، اندازه گیری pH خود را به طور خودکار اصلاح می کنند. این موارد در صورت انجام نوسانات دما در حین انجام چندین اندازه گیری متفاوت ، بهترین حالت را دارند. روش دیگر ، شما می توانید اندازه گیری pH را خودتان اصلاح کنید یا با کالیبره کردن دستگاه خود و اندازه گیری pH در دمای کاملاً یکسان ، آن را مجاز کنید.

چه کسی pH متر را اختراع کرده است؟

ما باید از چه کسانی برای این چیزهای هوشمندانه تشکر کنیم؟ ابتدا ، فریتس هابر (شیمیایی 1868–1868) شیمی دان آلمانی ، برنده جایزه نوبل ، و دانش آموز Zygmunt Klemensiewicz او  (1886–1963) ایده الکترود شیشه را در سال 1909 توسعه دادند. هنگامی که آرنولد بکمن ، شیمی دان آمریکایی (1900–2004) فهمید که چگونه می توان الکترود شیشه ای را به یک تقویت کننده و ولت متر متصل کرد تا سازه ای بسیار حساس تر بسازد. در اکتبر 1936 حق ثبت اختراع به وی اعطا شد.
تقویت کننده اصلی آرنولد بکمن با PH متر ثبت اختراع خود در سال 1936. هنگامی که یک جفت الکترود (یک الکترود شیشه ای ، 14 ، در سمت چپ و یک الکترود دوم ، 15 ، در سمت راست) در محلول آزمایش معلق می شوند (آبی) ، یک ولتاژ (اختلاف پتانسیل) بین آنها متناسب با pH محلول آزمایش. این دستگاه با یک آمپرمتر ساده که pH را نشان می دهد به یک مدار تقویت کننده لوله خلاuum (نشان داده نشده است) سیم می شود.