pH metre

pH ölçer veya pH metre, su esaslı çözeltilerdeki hidrojen iyonu aktivitesini ölçen, asitliğini veya pH olarak ifade edilen bazikliğini gösteren bilimsel bir cihazdır.[2] PH ölçer bir pH elektroduyla referans bir elektrot arasındaki elektrik potansiyeli farkını ölçer ve bu nedenle pH ölçer bazen "potansiyometrik pH ölçer" olarak adlandırılır. Elektrik potansiyelindeki fark çözeltinin asitliği veya pH'ı ile ilgilidir.[3] PH ölçer, laboratuvar deneylerinden kalite kontrolüne kadar birçok uygulamada kullanılır.[4]

Beckman Model M pH Ölçer, 1937[1]
Beckman model 72 pH ölçer, 1960
Metrohm tarafından üretilen 781 pH/İyon Meter pH ölçer

UygulamalarDüzenle

Suda meydana gelen kimyasal reaksiyonların oranı ve sonucu genellikle suyun asitliğine bağlıdır ve bu nedenle pH ölçerle ölçülen suyun asitliğini bilmek gereklidir.[5] pH bilgisi, kimyasal laboratuvar analizleri de dahil olmak üzere birçok durumda yararlı veya kritiktir. Tarımda toprak ölçümleri, belediye su kaynakları için su kalitesi, yüzme havuzları, çevresel iyileştirme; şarap veya bira fermantasyonu; imalat ;kan kimyası gibi sağlık ve klinik uygulamalar; ve diğer birçok uygulamada pH ölçer kullanılır.[4]

Enstrümantasyon ve saptamadaki ilerlemeler pH ölçümünün yapılabileceği uygulama sayısını artırdı. Yaşayan hücrelerin içindeki pH ölçümünü doğrudan öçmeye imkan sağlayan cihazlar minyatürleştirildi.[6] Sıvıların pH'ını ölçmeye ek olarak, gıdalar gibi yarı katı maddelerin pH'ını ölçmek için özel olarak tasarlanmış elektrotlar vardır. Bu elektrodlar, yarı katıları delmek için uygun uçlara sahip, gıdalardaki bileşenlerle uyumlu elektrot malzemeleri vardır ve tıkanmaya karşı dayanıklıdır.[7]

Tasarım ve kullanımDüzenle

 
Laboratuvarda ilk Beckman pH ölçerin kullanılışı

Çalışma prensibiDüzenle

Potansiyometrik pH ölçerler iki elektrot arasındaki voltajı ölçer ve sonucu ona karşılık gelen pH değerine dönüştürülür. Basit bir elektronik amplifikatör ve bir çift elektrot veya elektrot kombinasyonu ve pH birimlerinde bir şekilde kalibreli ekranları vardır. Genellikle cam bir elektrodu ve bir referans elektrodu veya bir kombinasyon elektrodu vardır. Elektrotlar veya problar test edilecek çözeltiye sokulur.[8]

Elektrotların tasarımı anahtar kısımdır: Bunlar genellikle camdan yapılmış, altta sensörlü bir ampul ile çubuk benzeri yapılardır. pH'ı ölçen cam elektrot hidrojen-iyon konsantrasyonuna seçici olacak şekilde özel olarak tasarlanmış cam bir ampule sahiptir. Test edilecek çözeltiye daldırıldığında test çözeltisindeki hidrojen iyonları cam ampul üzerindeki diğer pozitif yüklü iyonlarla değişerek cam ampul boyunca elektrokimyasal bir potansiyel farkı oluşturur. Elektronik amplifikatör ölçümde üretilen iki elektrot arasındaki elektrik potansiyeli farkını belirler ve bu potansiyel farkı pH birimlerine dönüştürür. Cam ampul üzerindeki elektrokimyasal potansiyelin büyüklüğü Nernst denklemine göre pH ile doğrusal olarak ilişkilidir.

Referans elektrod ekrana bağlanan metalik bir iletkenden oluşur ve çözeltinin pH'ına karşı duyarsızdır. Bu iletken gözenekli seramik membran yoluyla test çözeltisi ile temas eden bir elektrolit çözeltisine genellikle potasyum klorüre daldırılır.[9] Ekran voltajı pH biriminde görüntüleyen bir voltmetreden oluşur.

Cam elektrodun ve referans elektrodun test çözeltisine daldırılmasıyla, voltmetre tarafından oluşturulan ve belirlenen potansiyel farkın olduğu elektrik devresi tamamlanır. Devrenin, referans elektrotun iletken elemanından çevreleyen potasyum-klorür çözeltisine, seramik membrandan test çözeltisine, cam elektrodun hidrojen-iyon seçici camına, cam elektrodun içindeki çözeltisine, cam elektrodun gümüşüne, son olarak görüntüleme cihazının voltmetresine gittiği düşünülebilir.[9] Cam membranının test solüsyonu ile cam elektrottaki solüsyonlar arası hidrojen-iyon konsantrasyonlarındaki fark ile oluşan potansiyel farka bağlı olarak voltaj, test çözeltisinden test çözeltisine değişir. Devredeki diğer tüm potansiyel farklılıklar pH ile değişmez ve kalibrasyon yoluyla düzeltilir.

Basitlik açısından birçok pH metre cam elektrot ve tek bir prob içinde bulunan referans elektrot ile yapılandırılmış bir kombinasyon probunu kullanır. Kombinasyon elektrotlarının ayrıntılı bir açıklaması cam elektrotlar hakkındaki makalede verilmiştir.[10]

pH ölçer ölçümün doğruluğunu sağlamak için her kullanımdan önce pH'ı bilinen çözeltilerle kalibre edilir.[11] Bir çözeltinin pH'ını ölçmek için elektrotlar, test çözeltilerine daldırılan ve test çözeltisindeki hidrojen iyonlarının cam elektrot üzerindeki ampulün yüzeyindeki iyonlarla dengelenmesi için yeterince uzun süreli tutulan problar olarak kullanılır. Bu denge kararlı bir pH ölçümü sağlar.[12]

pH elektrodu ve referans elektrot tasarımıDüzenle

pH elektrodunun cam membranının imalatının ve sonuçta oluşan mikroyapısının ayrıntıları üreticiler tarafından ticari sır olarak saklanır.[13] :125 Ancak tasarımın belirli yönleri yayınlanmaktadır. Cam, alkali metal iyonlarının akım taşıyabildiği katı bir elektrolittir. pH'a duyarlı cam membran aynı bir membranın üretimini basitleştirmek için genellikle küreseldir. Bu membranlar probları dayanıklı kılmak için 0,4 milimetre kalınlığa kadar orijinal tasarımlardan daha kalındır. Camın yüzeyinde çözeltilerden alkali metal iyonları ve hidrojen iyonları için bağlanma yerleri sağlayan silikat kimyasal işlevi vardır. Bu 10−6 ila 10−8 mol/cm2 aralığında iyon değiştirme kapasitesi sağlar. Hidrojen iyonları (H+) için seçicilik iyonik yük dengesinden diğer iyonlara karşı hacim gereksiniminden ve diğer iyonların koordinasyon sayısından kaynaklanır. Elektrot üreticileri bu faktörleri özellikle lityum camını uygun şekilde dengeleyen bileşimler geliştirdiler. :113–139

Gümüş klorür elektrodu yaygın olarak pH metrelerde referans elektrot olarak kullanılır ancak bazı tasarımlarda doymuş kalomel elektrot kullanılır. Gümüş klorür elektrodunun üretimi basittir ve yüksek tekrarlanabilirlik sağlar. Referans elektrot genellikle bir potasyum klorür çözeltisine daldırılmış gümüş/gümüş klorür karışımı ile temas eden platin bir telden oluşur. İki çözeltinin karışmasını önlerken düşük direnç sağlayan, test çözeltisine temas görevi gören seramik bir tapa vardır.[13]:76–91

Bu elektrod tasarımlarıyla, voltmetre is detecting potential differences of ±1400 millivoltluk potansiyel farklarını belirlemektedir.[14] Kulanımı kolaylaştırmak için test solüsyonlarıyla hızlı bir şekilde dengelenecek şekilde elektrodlar daha da gelişmiş olarak tasarlanmaktadır. Elektrodlar yaşlandıkça dengeleme zamanları artmasına rağmen dengeleme zamanları genelikle bir saniyeden kısadır.[13]:164

BakımDüzenle

Elektrotların kirletici maddelere duyarlılığı nedeniyle probların temizliği doğruluk ve hassasiyet için zorunludur. Problar kullanılmadığında genellikle prob üreticilerinden belirli sonda için temin edilebilen sulu bir çözeltisi olan uygun bir ortamda nemli tutulurlar.[11] Prob üreticileri prob tasarımlarını temizlemek ve bakımını yapmak için talimatlar sağlar. Örnek vermek gerekirse bir laboratuvar sınıfı pH üreticisi belirli kirleticilere karşı şu temizleme talimatını verir: genel temizlik için (çamaşır suyu ve deterjan çözeltisine 15 dakika bekletin), tuz için (hidroklorik asit çözeltisi ve ardından sodyum hidroksit ve su), grese karşı (deterjan veya metanol), tıkalı referans birleşme yeri için (KCI çözeltisi), protein birikintileri için (pepsin ve HCl,% 1 çözelti) ve hava kabarcıkları.[15][16]

Kalibrasyon ve çalışmaDüzenle

 
Fotoğrafta görülen 23°C sıcaklıktaki 5.739 pH/İyon. inoLab tarafından üretilen pH 7110 ölçer

Alman Standardizasyon Enstitüsü pH ölçüm cihazları kullanarak pH ölçümü için DIN 19263 nolu bir standart yayınladı.[17]

Çok hassas ölçümler pH ölçüm cihazının her ölçümden önce kalibre edilmesini gerektirir. Daha genelde kalibrasyon günde bir kez yapılır. Kalibrasyon gereklidir çünkü cam elektrot daha uzun süre tekrarlanabilir elektrostatik potansiyelini vermez.[13] :238–239

İyi laboratuvar uygulama prensiplerine uygun olarak kalibrasyon işlemi ölçülecek pH değerleri aralığına uyan en az iki standart tampon çözeltisi ile yapılır. Genel amaçlar için pH 4.00 ve pH 10.00'daki tamponlar uygundur. pH ölçer sayaç okumasını ilk standart tampon değerine eşit olarak ayarlamak için bir kalibrasyon kontrolüne ve sayaç okumasını ikinci tamponun değerine ayarlamak için ikinci bir kontrole sahiptir. Üçüncü bir kontrol sıcaklığın ayarlanmasını sağlar. Çeşitli tedarikçilerden temin edilebilen standart tampon poşetleri genellikle tampon kontrolünün sıcaklık bağımlılığını belgeler. Daha hassas ölçümler bazen üç farklı pH değerinde kalibrasyon gerektirir. Bazı pH ölçerler elektrot problarındaki sıcaklık termokuplları ile dahili sıcaklık katsayısı düzeltmesi sağlar. Kalibrasyon işlemi prob tarafından üretilen voltajı ilişkilendirir (pH birimi başına yaklaşık 0,06 volt). İyi laboratuvar uygulamaları her ölçümden sonra probların ölçülen çözeltinin izlerini gidermek için damıtılmış su veya deiyonize su ile durulanmasını, numuneyi seyreltebileceği kalan suyu emmesi için bilimsel bir mendille kurutulmasını ve böylece ve daha sonra belirli prob tipine uygun bir depolama çözeltisine daldırılmasını şart koşar.[18]

pH ölçer türleriDüzenle

 
Basit bir pH ölçer
 
Toprak pH ölçeri

pH ölçerler basit ve ucuz kalem benzeri cihazlardan bilgisayar arayüzlü karmaşık ve pahalı laboratuvar cihazlarına ve sıcaklığın neden olduğu pH değişimini ayarlamak için girilecek gösterge ve sıcaklık ölçümleri için çeşitli girdilere kadar çeşitlilik gösterir. Çıkış dijital veya analog olabilir ve cihazlar pille çalıştırılabilir veya elektrik şebekesine bağlı olabilir. Bazı çeşitler elektrotları voltmetre görüntüleme cihazına bağlamak için telemetri kullanır.[13]:197–215

Zorlu ortamlar [19] ve biyolojik mikro ortamlar gibi özel uygulamalarda kullanılmak üzere özel ölçüm cihazları ve problar mevcuttur.[6] Ayrıca mevcut çeşitli pH göstergelerinden yararlanarak kolorimetrik olarak pH ölçümüne izin veren holografik pH sensörleri de vardır.[20] Ek olarak geleneksel cam elektrotlardan ziyade katı hal elektrotlarına dayalı ticari olarak bulunabilen pH ölçerler vardır.[21]

TarihDüzenle

 
"İşte yeni Beckman Cep pH Ölçer", 1956

PH kavramı 1909'da S. P. L. Sørensen tarafından tanımlandı ve 1920'lerde pH ölçümü için elektrotlar kullanıldı.[22]

Ekim 1934'te Arnold Orville Beckman pH ölçümüne yönelik tam kimyasal cihaz için ilk patenti ABD Patenti No. 2,058,761'i "asidimetre" için tescil ettirdi ve daha sonra bu pH ölçer olarak yeniden adlandırıldı. Beckman prototipi California Institute of Technology'de kimya profesörü olarak geliştirdi ve California Fruit Growers Exchange (Sunkist) için limon suyunun asitliğini ölçmek için hızlı ve doğru bir yöntem tasarlaması istendi.[23]:131–135

8 Nisan 1935'te Beckman'ın yeniden adlandırılan National Technical Laboratories bilimsel cihazların üretimine odaklandı ve Arthur H. Thomas Company pH ölçüm cihazının distribütörü olarak görev yaptı.[23]:131–135 İlk satış yılı olan 1936'da şirket 444 pH ölçeri 60,000 dolara sattı. Sonraki yıllarda şirket milyonlarca ünite sattı.[24][25] 2004 yılında Beckman pH ölçer ticari açıdan başarılı ilk elektronik pH ölçüm cihazı olarak önemi nedeniyle ACS Ulusal Tarihi Kimya Dönüm Noktası olarak belirlendi.[26]

Danimarka Radiometer Corporation 1935 yılında kuruldu ve 1936 civarında tıbbi kullanım için pH ölçer pazarlamaya başladı ancak "endüstriyel amaçlar için otomatik pH-ölçerlerin geliştirilmesi ihmal edildi. Bunun yerine Amerikan alet üreticileri bira fabrikaları, kağıt işletmeleri, şap işleri ve su arıtma sistemleri gibi çok çeşitli uygulamalar için başarılı endüstriyel pH-ölçerler geliştirdiler."[22]

1956 gibi erken bir tarihte Beckman taşınabilir "Cep pH Ölçer" pazarladı ancak bunun sayısal okuması yoktu.[27] 1970'lerde Taiwanlı Jenco Electronics ilk taşınabilir sayısal pH ölçeri tasarlayıp üretti. Bu ölçer Cole-Parmer Corporation etiketiyle satıldı.[28]

pH metre yapmakDüzenle

Elektrotlar için özel üretim gereklidir ve bunların tasarımı ve yapılarının ayrıntıları genelde ticari sırdır.[13]:125 Ancak uygun elektrotların satın alınmasıyla pH ölçerin yapımını tamamlamak için standart bir multimetre kullanılabilir.[29] Bununla birlikte ticari tedarikçiler kalibrasyon ve sıcaklık telafisi dahil kullanımı basitleştiren voltmetre ekranları sunar.[7]

Ayrıca bakınızDüzenle

  • İyon seçici elektrotlar
  • ISFET pH elektrodu
  • Potansiyometri
  • Kinhidron elektrot
  • Doymuş kalomel elektrot
  • Gümüş klorür elektrot
  • Standart hidrojen elektrot

KaynakçaDüzenle

  1. ^ "Beckman Coulter Product Milestones" (PDF). Beckman Coulter. 6 Nisan 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Nisan 2017. 
  2. ^ "pH meter". Encyclopædia Britannica Online. 2016. 5 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Mart 2016. 
  3. ^ Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology (2 ed.), ed. Richard Cammack, Teresa Atwood, Peter Campbell, Howard Parish, Anthony Smith, Frank Vella, and John Stirling, Oxford University Press 2006, 9780198529170
  4. ^ a b "pH Measurement and Value". Global Water. Xylem, Inc. 15 Kasım 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 21 Mart 2017.  Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi: "Global" adı farklı içerikte birden fazla tanımlanmış (Bkz: Kaynak gösterme)
  5. ^ "Acid-Base Reaction". Encyclopaedia Britannica. Encyclopaedia Britannica, Inc. 17 Haziran 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 21 Mart 2017. 
  6. ^ a b Measurement of Intracellular pH. Methods in Molecular Biology. 637. 2010. ss. 311-31. ISBN 978-1-60761-699-3. 
  7. ^ a b "pH Measurement Handbook" (PDF). PragoLab. Thermo Scientific, Inc. 22 Mart 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mart 2017.  Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi: "Handbook" adı farklı içerikte birden fazla tanımlanmış (Bkz: Kaynak gösterme)
  8. ^ Riddle (2013). "pH meters and their electrodes: calibration, maintenance and use". The Biomedical Scientist. April: 202-205. 
  9. ^ a b "pH Meter Principles". seafriends.org. Seafriends Marine Conservation and Education Centre. 4 Ocak 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 28 Mart 2017.  Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi: "Seafriends" adı farklı içerikte birden fazla tanımlanmış (Bkz: Kaynak gösterme)
  10. ^ Vanýsek (2004). "The Glass pH Electrode" (PDF). Interface (Summer). The Electrochemical Society. ss. 19-20. 1 Mart 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Nisan 2017. 
  11. ^ a b Bitesize Bio: How to Care for Your pH Meter 26 Eylül 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., Steffi Magub, 18 May 2012. Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi: "magub" adı farklı içerikte birden fazla tanımlanmış (Bkz: Kaynak gösterme)
  12. ^ "Theory and Practice of pH Measurement" (PDF). Emerson Process Management. Aralık 2010. 20 Ekim 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 13 Ağustos 2020. 
  13. ^ a b c d e f pH Measurement: Fundamentals, Methods, Applications, Instrumentation. Weinheim: VCH Publishers, Inc. 1991. ISBN 978-3-527-28237-1. 
  14. ^ Ltd (1962). "Potentiometric pH Meter". Journal of Scientific Instruments. 39 (6): 323. doi:10.1088/0950-7671/39/6/442. 
  15. ^ MRC lab: How to Store, Clean, and Recondition pH Electrodes 22 Eylül 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi..
  16. ^ Cleaning electrodes 6 Ağustos 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi..
  17. ^ "pH Measurement - pH Measuring Chains". Beuth publishing DIN. Beuth Verlag GmbH. 21 Nisan 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 28 Mart 2017. 
  18. ^ "How to perform a pH meter calibration". all-about-pH.com. 9 Ocak 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Aralık 2016. 
  19. ^ "How to Select a pH Sensor for Harsh Process Environments". automation.isa.org. International Society for Automation. 15 Nisan 2015. 31 Temmuz 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 31 Mart 2017. 
  20. ^ AK Yetisen (2013). "Light-Directed Writing of Chemically Tunable Narrow-Band Holographic Sensors". Advanced Optical Materials. 2 (3): 250. doi:10.1002/adom.201300375. 6 Ağustos 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 13 Ağustos 2020. 
  21. ^ "pH Electrode". pH-meter.info. 23 Ekim 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 30 Mart 2017. 
  22. ^ a b Determinants in the evolution of the European chemical industry : 1900-1939 : new technologies, political frameworks, markets and companies. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. 1998. s. 332. ISBN 978-0-7923-4890-0. 15 Kasım 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Mayıs 2015.  Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi: "Determinants" adı farklı içerikte birden fazla tanımlanmış (Bkz: Kaynak gösterme)
  23. ^ a b Arnold O. Beckman : one hundred years of excellence. foreword by James D. Watson. Philadelphia, Pa.: Chemical Heritage Foundation. 2000. ISBN 978-0-941901-23-9. 
  24. ^ Luther (19 Mayıs 2004). "Arnold O. Beckman, 104". Chicago Tribune News. 8 Mart 2014 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Mart 2014. 
  25. ^ Finding Aid to the Beckman Historical Collection 1911 - 2011 (Bulk 1935 - 2004 ). Science History Institute. 6 Şubat 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 30 Ekim 2015. Click on 'Beckman Historical Collection Finding Aid' to go to full document. 
  26. ^ "Development of the Beckman pH Meter". National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. 1 Aralık 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Mart 2013. 
  27. ^ "Here's the new Beckman Pocket pH Meter". Science History Institute. 1956. 6 Ağustos 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Ağustos 2019. 
  28. ^ "Evolution of the pH Meter". Lab Manager. 12 Aralık 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Ekim 2010. 
  29. ^ "Building the Simplest Possible pH Meter". 66pacific.com. 15 Şubat 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Mart 2017. 

Dış bağlantılarDüzenle