مقدمه
pH یک واحد برای نشان دادن یک ویژگی محلول و نمایانگر فعالیت یون هیدروژن (اسیدیته یا قلیایی بودن) در محلول است. تعیین pH یک محلول شیمیایی یکی از فعالیت‌های مهم در آزمایشگاه است. pHمتر، دستگاه الکتریکی مورد استفاده برای اندازه‌گیری pH در محلول است. تقریبا می‌توان گفت که در هر شاخه‌ای از علوم که در آن با محلول سر و کار داشته باشیم به اندازه‌گیری pH نیاز خواهیم داشت. به همین دلیل وجود pH متر به عنوان ابزاری برای انجام این کار در اغلب آزمایشگاه‌ها ضروری است.
pH کدام ویژگی‌های محلول را نشان می‌دهد؟
pH نشان‌دهنده اسیدیته یا قلیائیت محلول است. هر محلول با pH زیر 7 اسیدی است و اگر pH بالای ۷ باشد، قلیایی است و با pH برابر ۷ داشته باشد، خنثی است (شکل ۱). آب لیموترش که یک محلول اسیدی است طعمی ترش دارد، pH کمتر از ۷ دارد. آب صابون که یک محلول قلیایی (بازی) است لزج است و طعمی تا حدی تلخ دارد، دارای pH بالاتر از ۷ است. برای تعیین pH محلول‌ها می‌توان از شناساگرها استفاده کرد. شناساگرها موادی هستند که در محیط‌های اسیدی یا قلیایی به رنگ‌های متفاوتی درمی‌آیند. با استفاده از این مواد کاغذهای pH را می‌سازند که از آنها برای تعیین تقریبی عدد pH می‌توان استفاده نمود. لیتموس یکی از این کاغذهای pH است. اگر کاغذ لیتموس را در آب لیموی اسیدی فرو کنید، قرمز می‌شود و اگر آن را در آب صابون قلیایی فرو کنید آبی می‌شود. استفاده از شناساگرهای کاغذی می‌تواند با خطای زیادی همراه باشد، به همین دلیل اگر برای تعیین pH دقت بالایی نیاز باشد، pH سنج‌های الکترونیکی را می‌بایست بکار برد.
شکل ۱- بازه اسیدی و قلیایی محلول ها
pH متر چیست؟
اساساً، یک pH متر متشکل از یک ولت‌متر متصل به یک الکترود پاسخ‌دهنده به pH (الکترود سنسور) و یک الکترود مرجع (بدون تغییر) است. الکترود پاسخ‌دهنده به pH معمولاً شیشه‌ای و الکترود مرجع معمولا از جنس کلرید نقره است، اگرچه گاهی از الکترود کلرید جیوه نیز استفاده می‌شود. وقتی این دو الکترود در یک محلول غوطه‌ور می‌شوند، مانند یک باتری عمل می‌کنند و به این ترتیب می‌توان به کمک دستگاه pH متر میزان pH یک محلول را سنجید. شکل ۲ ساختار pH متر را نشان می‌دهد.
اصول کار دستگاه pH متر
برای اندازه‌گیری فعالیت یون هیدروژن در یک محلول می‌توان از روش‌های بصری، فوتومتریک و پتانسیومتری استفاده کرد. روش‌های بصری و فوتومتریک به منظور تعیین pH بر تغییر رنگ رنگدانه‌های آلی خاصی متکی هستند. روش‌های بصری با نشانگرهای بصری مانند نوارهای تستpH انجام می‌شوند، در حالی که روش فتومتریک از طریق تاباندن نور به نمونه و اندازه گیری میزان جذب نور انجام می‌شود.
با این وجود کاربرد روش‌های بصری یا فوتومتریک در آزمایشگاه‌ها محدود است. زیرا اگر محلول کدر یا دارای رنگ ذاتی باشد، ممکن است در سنجش میزان pH اختلال ایجاد شود. علاوه‌براین برخی از محلول‌ها دارای پیوندهای شیمیایی هستند که شاخص‌های رنگ را از طریق اکسیداسیون از بین برده و نتایج نادرستی را تولید می‌کنند. روش‌های پتانسیومتری با استفاده از پتانسیل الکتریکی الکترودهای حساس به pH به عنوان سیگنال اندازه‌گیری، pH یک محلول را تعیین می‌کنند و معایب روش‌های بصری و فوتومتریک نیز در روش‌های پتانسیومتری وجود ندارد. pH متر یک دستگاه پاسخ‌دهنده به pH است، که فعالیت یون هیدروژن را به روش پتانسیومتری در یک محلول اندازه‌گیری می‌کند و اطلاعات را به یک ولت‌متر منتقل می‌کند. این دستگاه از دو پروب شیشه‌ای تشکیل شده است که هر کدام حاوی یک الکترود هستند. یک الکترود مرجع و یک الکترود سنسور. الکترود مرجع از محلول پتاسیم کلرید اشباع ساخته شده است، در حالی که الکترود سنسور حاوی محلول بافر با pH=۷ است. یک سیم از جنس نقره که با کلرید نقره پوشش داده شده نیز در هر دو این محلول‌ها غوطه‌ور است. در انتهای الکترود سنسور، یک حباب از شیشه متخلخل وجود دارد. برای اندازه‌گیری pH یک محلول، الکترودها در محلول فرو می‌‌روند. هنگامی که حباب الکترود محلول را لمس کرد، یون‌های هیدروژن موجود در محلول جایگزین یون‌های فلزی روی حباب می‌شوند. این جایگزینی یون باعث ایجاد جریان در سیم‌های فلزی شده و در نهایت اختلاف پتانسیل توسط ولت‌متر سنجیده می‌شود (شکل ۲). از آنجایی که pH متر اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود سنسور و الکترود مرجع را اندازه‌گیری می‌کند، گاهی با نام pH متر پتانسیومتری نیز شناخته می‌شود. جزئیات ساخت الکترودهای دستگاه pH متر جزء اسرار تجاری تولیدکنندگان است. با این وجود شرکت‌های سازنده جنبههای خاصی از طراحی این الکترودها را منتشر کرده‌اند .
- الکترود سنسور: شیشه یک الکترولیت جامد است که یون‌های فلزات قلیایی می‌توانند در آن جریان یابند. تولیدکنندگان برای ایجاد یک غشاء یکنواخت شیشه‌ای، معمولا غشای شیشه‌ای حساس به pH در الکترود سنسور را به صورت کروی طراحی می‌کنند. ضخامت این غشاها حداکثر ۰/۴ میلی‌متر است. به این ترتیب دوام پروب‌ها بیشتر خواهد بود. این شیشه دارای خواص شیمیایی سیلیکات در سطح خود است که جایگاه اتصال (binding sites) را برای یون‌های فلز قلیایی و یون‌های هیدروژن موجود در محلول فراهم می‌کند.
- الکترود مرجع: الکترود مرجع در pH متر معمولا از جنس کلرید نقره است اگرچه برخی از تولیدکنندگان از الکترود استاندارد کالومل (Saturated calomel electrode) نیز استفاده می‌کنند. ساخت الکترود کلرید نقره آسان‌تر است و قابلیت تولید مجدد بالا را فراهم می‌کند.
شکل ۲- ساختار pH متر
انواع دستگاه pH متر
امروزه با پیشرفت دانش و تکنولوژی، دستگاه‌های pH متر نیز پیشرفت زیادی داشته‌اند و در انواع و مدل‌های مختلفی تولید شده و مورد استفاده قرار میگیرند. pHمترها از جهات مختلفی پیشرفته شده‌اند که در زیر به برخی از آنها اشاره خواهد شد. همچنین در شکل ۳، می‌توان انواع pH متر را مشاهده نمایید.
از لحاظ ابعادی: امروزه دستگاه‌های pH متر در ابعاد کوچکتری تولید و عرضه می‌شوند که علاوه بر اشغال فضای کمتر، از حساسیت بالایی نیز برخوردار هستند، به طوری که امکان اندازه‌گیری مستقیم pH داخل سلول‌های زنده را نیز فراهم می‌کنند.
از لحاظ قابلیت سنجش فازهای مختلف مواد: علاوه بر اندازه گیری pH مایعات، الکترودهای مخصوص طراحی شده برای اندازه گیری pH مواد نیمه جامد مانند غذاها نیز در دسترس هستند که امکان سنجش pH در طیف وسیعی از مواد را فراهم می‌کنند.
از لحاظ مکانیزم: pHمترها از دستگاه‌های ساده و ارزان گرفته تا ابزار آزمایشگاهی پیچیده و گران قیمت با رابط‌های رایانه‌ای در دسترس هستند. همچنین ممکن است یک pH متر به چندین ورودی مجهز باشد تا به کمک آن بتوان تغییرات pH ناشی از دما را نیز مورد بررسی قرار داد. علاوه بر این pH مترها می‌توانند از طریق باتری کار کنند یا به برق متصل شوند.
از لحاظ خروجی ارائه شده: خروجی pHمترها نیز می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد. همچنین سنسورهای pH هولوگرافیک نیز در دسترس هستند که با استفاده از تنوع شاخص‌های pH موجود، اندازه گیری pH را به صورت رنگ‌سنجی امکان‌پذیر می‌کنند.
از لحاظ قابلیت جابه‌جایی:
- pH متر رومیزی یا Benchtop اغلب در آزمایشگاه‌ها برای تجزیه و تحلیل pH یک محلول در یک آزمایشگاه استفاده می‌شود.
- pH مترهای قابل حمل یا پرتابل pH مترهای دستی هستند که برای گرفتن pH نمونه در یک مکان خاص استفاده می‌شوند.
کالیبراسیون دستگاه pH متر
اگر کاربر آزمایشگاه باشید حتما می‌دانید که اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق مستلزم کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری هستند. دستگاه pH متر نیز از این قاعده مستثنی نیست و اغلب لازم است قبل از استفاده کالیبره شود. برای کالیبراسیون دستگاه pH متر حداقل دو محلول استاندارد بافر نیاز است که دامنه مقادیر pH برای اندازه‌گیری را پوشش می‌دهند. برای انجام آزمایش‌های عمومی، بافرهایی با ۱۰=pH و با ۴=pH مناسب هستند. اما اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر، گاهی اوقات به کالیبراسیون در سه مقدار مختلف pH نیاز دارند.
شکل ۳- انواع pH متر
نکات نگهداری از دستگاه pH متر
به دلیل حساسیت الکترودها به آلاینده‌ها، تمیز بودن پروب‌ها برای افزایش دقت و صحت یک آزمایش ضروری است. در صورتی که برای مدت زمان طولانی از پروب‌ها استفاده نشود، پروب‌ها معمولاً باید درون یک محلول مناسب قرار بگیرند تا مرطوب نگه داشته شوند. این محلول معمولا توسط تولیدکننده دستگاه معرفی می‌شود. همچنین تولیدکنندگان پروب دستورالعمل‌های خاصی را برای تمیز کردن پروب‌ها ارائه می‌کنند.
کاربردهای pH متر
- اکثر مولکول‌های زیستی در بدن به دلیل تنظیم دقیق pH عملکرد بهینه‌ای دارند. از همین رو سنجش pH در سیستم‌های بیولوژیکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
- حتی در آزمایش‌های تحلیلی نیز حفظ pH مورد نظر برای دستیابی به نتایج دقیق ضروری است.
- اندازه‌گیری pH در صنعت کشاورزی برای ارزیابی خاک بسیار مهم است. زیرا ممکن است برای پرورش برخی محصولات نیاز به محیط قلیایی باشد.
- در صنعت دامداری، محققان pH خون حیوانات و خوراک آنها را اندازه‌گیری کرده و رابطه آن را با سلامت و رشد حیوانات مورد مطالعه قرار دادند.
- همچنین در صنایع غذایی به ویژه برای محصولات لبنی مانند پنیر، کشک، ماست و غیره نیز سنجش pH از اهمیت بالایی برخوردار است.
- تعادل pH آب می تواند تا حد زیادی بر زندگی گونه‌های مختلف آبزیان دریایی تأثیر بگذارد و عامل اصلی در اندازه‌گیری کیفیت آب مناطق ماهیگیری و مزارع پرورش ماهیان، جلبک دریایی، مروارید پرورشی است. در حقیقت، pH اولین عاملی است که هنگام انتخاب مکان برای پرورش ماهی مورد بررسی قرار می‌گیرد و اغلب اولین علامت ناهنجاری در مناطق ماهیگیری است. در بازار ماهی، pH ماهی تحویل داده شده از مناطق مختلف ماهیگیری برای بررسی طراوت ماهی اندازه گیری می‌شود.
- ارزیابی pH در صنایع شیمی و دارویی اجباری است و همچنین عامل مهمی در تولید مواد شوینده نیز محسوب می‌شود. در صنایع داروسازی و آرایشی، pH به منظور بررسی واکنش‌های شیمیایی در تولید اندازه‌گیری می‌شود. سرعت واکنش‌ها به pH محلول بستگی دارد و با دانستن pH می‌توان نقطه پایان واکنش را برآورد کرد. به عنوان مثال، در تولید آنتی بیوتیک‌ها، pH باید در فرآیندهای تخمیر کنترل شود تا عملکرد بالا و خواص ضد باکتریایی حفظ شود. همچنین، از آنجا که داروها و لوازم آرایشی به بدن انسان وارد می‌شوند یا روی پوست انسان اعمال می‌شوند، سختگیرانه‌ترین کنترل کیفیت مورد نیاز است. اگر بین pH و محصولات آرایشی تفاوت زیادی در pH وجود داشته باشد، نتایج می‌تواند فاجعه بار باشد. اگر دارویی دارای pH اشتباه باشد، آن دارو می‌تواند سم باشد.
- نظارت بر سطح pH در تصفیه آب نیز ضروری است. در تصفیه خانه‌ها، آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها با کلر ضدعفونی می‌شود و ناخالصی‌ها ته‌نشین شده و با کمک یک عامل جمع‌کننده فیلتر شده و خارج می‌شوند. در این مرحله، pH آب در مقداری مناسب برای عملکرد کلر و عامل تجمع‌دهنده حفظ می‌شود. به طور طبیعی، قبل از این که این آب به منازل و تاسیسات تجاری و عمومی عرضه شود، مواد قلیایی اضافه می‌شود تا آن را خنثی کند. در تصفیه خانه‌های فاضلاب، pH در هر فرآیند، هنگام آزادسازی پس از تصفیه و در هر لحظه اندازه‌گیری می‌شود و همچنین تنظیم pH برای بهینه‌سازی فعالیت باکتری‌ها در لجن هنگام استفاده از روش لجن فعال و تصفیه به روش تولید حباب از عامل فعال صورت می‌گیرد.
- در صنعت نساجی، اندازه‌گیری pH در آزمایش محصول بسیار مهم است، مانند واکنش پارچه به مواردی مانند: تعریق، به ویژه هنگام تولید مصنوعی، برای اطمینان از ایمنی و دوام پارچه، البته اندازه‌گیری pH در فرایند رنگرزی ضروری است، زیرا ماندگاری و سرعت پردازش بستگی به pH حمام رنگ دارد که به طور خودکار برای حفظ pH مناسب تنظیم می‌شود.
- در پالایشگاه‌های نفت، pH در طی فرآیند گوگردزدایی اندازه‌گیری می‌شود که گوگرد را از روغن حذف می‌کند.