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. 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. PH ölçer, laboratuvar deneylerinden kalite kontrolüne kadar birçok uygulamada kullanılır.

Uygulamalar 
Suda meydana gelen kimyasal reaksiyonların oranı ve sonucu genellikle suyun asitliğine bağlıdır ve bu nedenle pH ölçerle ölçülen suyun asitliğini bilmek gereklidir. 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.

Enstrümantasyon ve saptamadaki ilerlemeler pH ölçümünün yapılabileceği uygulama sayısını artırdı.  Yaşayan hücrelerin içindeki pH ölçümünü doğrudan öçmeye imkan sağlayan cihazlar minyatürleştirildi. 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.

Tasarım ve kullanım

Çalışma prensibi 
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.

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. 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. 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.

pH ölçer ölçümün doğruluğunu sağlamak için her kullanımdan önce pH'ı bilinen çözeltilerle kalibre edilir. 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.

pH elektrodu ve referans elektrot tasarımı 
pH elektrodunun cam membranının imalatının ve sonuçta oluşan mikroyapısının ayrıntıları üreticiler tarafından ticari sır olarak saklanır.  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. 

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.

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

Bakım 
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.  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.

Kalibrasyon ve çalışma 

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

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. 

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.

pH ölçer türleri 

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.

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

Tarih 

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

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.

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. İlk satış yılı olan 1936'da şirket 444 pH ölçeri 60,000 dolara sattı. Sonraki yıllarda şirket milyonlarca ünite sattı. 2004 yılında Beckman pH ölçer ticari açıdan başarılı ilk elektronik pH ölçüm cihazı olarak önemi nedeniyle ACS Ulusal Tarihi Kimya Dönüm Noktası olarak belirlendi.

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."

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

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

Ayrıca bakınız 

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

Kaynakça

Dış bağlantılar 

 Introduction to pH measurement  - Omega Mühendislik web sitesinde pH ve pH ölçümüne genel bakış 
 Beckman pH Ölçüm Cihazının Geliştirilmesi - Amerikan Kimya Derneği'nin Ulusal Tarihi Kimyasal Dönüm Noktası 
 pH Ölçüm El Kitabı - Thermo-Scientific Co.'nun bir yayını.

Bilimsel ölçü aletleri
Ölçü aletleri
Elektrokimya
Asit ve bazlar