Principe van de pH

De pH drukt de zuurtegraad uit van een waterige oplossing. Dat speelt een belangrijke rol in de natuur zoals vissen die pas kunnen overleven bij een gunstige pH, maar de pH is bijvoorbeeld ook belangrijk voor de productie van geneesmiddelen. Het is ook een belangrijke factor voor de installaties in de productie. Een te lage pH kan leiden tot corrosie van metalen en onderdelen van verschillende installaties en pompen.

Wat is pH?

De pH (pondus Hydrogenii of potentia Hydrogenii) is een maat voor de zuurtegraad van een waterige oplossing. Met andere woorden: de pH is de meting van de hoeveelheid H⁺-ionen in een waterige oplossing. Elke waterige oplossing kan gemeten worden om de pH-waarde te bepalen. Deze waarde varieert van 0 tot 14 en het is een logaritmische schaal. De waarden onder de 7 vertonen zure eigenschappen. De waarden boven de 7 vertonen basische eigenschappen. Bij kamertemperatuur ligt de pH-waarde van een neutrale waterige oplossing rond de 7. pH 7 is dus het centrum van de schaal.

De pH wordt gedefinieerd als de negatieve logaritme (met grondtal 10) van de concentratie H⁺. De logaritme wordt ingevoerd vanwege zeer kleine concentraties die kunnen ontstaan.

• pH = - log[H+]
• [H⁺] = Concentratie H⁺-ionen uitgedrukt in mol/l

De pH is een uitdrukking tussen de [H⁺] en de [OH^-]. De oplossing is zuur als de concentratie H⁺-ionen groter is dan de OH^--ionen. De oplossing is basisch als de concentratie OH^--ionen groter is dan de concentratie H⁺-ionen. Wanneer de beide concentraties gelijk zijn is er sprake van een pH-waarde 7.

De pH-meting

Het meten van de pH kan gebeuren door een universeel indicatorpapiertje te gebruiken. Aan de hand van de kleurenschaal die onderverdeeld is in 14 waarden, is het mogelijk om te achterhalen wat de pH is van een bepaalde oplossing. Dit is slechts een methode om te controleren of de oplossing een zuur of een base is. Voor de exacte pH-meting wordt er gebruik gemaakt van een elektrische pH-meter.

De glasmembraanelektrode

Om de pH-metingen snel te laten verlopen, wordt er gebruikt gemaakt van een combi-elektrode, zoals de glaselektrode. Een glaselektrode bestaat uit een dun glasmembraan, een inwendige oplossing met een gekende pH, een meetelektrode en een inwendige referentie-elektrode (verzadigde zilver/zilverchloride-elektrode).

Werking van een glasmembraanelektrode

Er bevindt zich een gehydrateerd laagje aan de oppervlakte van het glas waar de Na⁺ vervangen zijn door de H⁺-ionen. Onder invloed van vocht ontstaat er een gelachtige laag. Dit gehydrateerd glas staat in evenwicht met de H⁺-ionen van de oplossing die zich langs weerszijden bevindt.

Oplossing 1 stelt de analytoplossing voor waarin de activiteit van de H⁺-ionen gelijk is aan a₁. Oplossing 2 is een inwendige oplossing die in de glaselektrode opgesloten zit. De activiteit aan H⁺-ionen is gelijk aan a₂.

Wanneer a₁ en a₂ gelijk aan elkaar zijn liggen de evenwichten aan weerszijden hetzelfde, dus is er een membraanpotentiaal van 0. Als a₁ groter wordt dan a₂ gaan vanuit de analytoplossing de H⁺-ionen over naar het glas. Daar zal de potentiaal toenemen, het glas is een beetje geleidend zodat deze potentiaalstijging ook aan de andere kant voelbaar is. Het gevolg is dat er een verschuiving plaatsgrijpt waarbij ditmaal H⁺-ionen uit het glas naar de inwendige oplossing overgaan.

De verplaatsing van de positieve ladingen doorheen het glasmembraan is de oorzaak van de membraanpotentiaal. Deze potentiaal kan berekend worden:

• Emembraan = 0,0591 log a₁ a₂

Als a₂ constant is kan men deze vergelijking geschreven worden als:

• Emembraan = k + 0,0591 log a₁ of Emembraan = k – 0,0591 pH

In de glaselektrode heeft men twee potentialen: de constant potentiaal van de inwendige elektrode en de membraanpotentiaal:

• Eglas = EAg/AgCl + Emembraan = k₁ +k₂ - 0,0591pH
• Eglas = k - 0,0591 pH

Er is echter ook sprake van een asymmetriepotentiaal. Dat is het potentiaalverschil tussen de binnen- en buitenoppervlak van de glaselektrode als de beide oppervlakken in aanraking zijn met dezelfde oplossing.

In de formule Eglas = k - 0,0591 pH is de asymmetriepotentiaal opgenomen in de constante. De potentiaal bestaat hier uit een membraanpotentiaal, een potentiaal van de inwendige Ag/AgCl-elektrode en een kleine asymmetriepotentiaal. k komt van 3 constanten.

• Eglas = EAg/AgCl + Emembraan + Easymmetriepotentiaal = k₁ +k₂ - 0,0591pH + k₃

De uiteindelijke formule is:

• Eglas = k - 0,0591pH

IJking

Voor het gebruik van de pH-meter moet er geijkt worden. Dit gebeurt door gebruik te maken van minimaal twee bufferoplossingen met een gekende pH.

Eerst stelt men de pH in op 7,00; hierbij wordt het metersignaal op 0,00 mV gezet. Daarna stelt men de tweede pH-waarde in (meestal pH 4). Bij deze instelling wordt voor het verband tussen de spanning en de pH de gevoeligheid ingesteld. De gevoeligheid bedraagt 59 mV per pH-eenheid. Als laatst spoelt men de elektrode af met gedemineraliseerd water. Een glaselektrode mag nooit droog staan.