medidor de pH

Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido al valor de pH correspondiente. Constan de un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o bien un electrodo combinado, y algún tipo de pantalla calibrada en unidades de pH. Generalmente tienen un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia , o un electrodo combinado. Los electrodos, o sondas, se insertan en la solución que se va a analizar. ^{[ 8 ]} Los medidores de pH también pueden basarse en el electrodo de antimonio (utilizado normalmente para condiciones adversas) o en el electrodo de quinhidrona .

Para medir con precisión la diferencia de potencial entre las dos caras del electrodo de referencia de membrana de vidrio , normalmente se requiere un electrodo de cloruro de plata o de calomelanos en cada lado de la membrana. Su función es medir los cambios de potencial en sus respectivas caras. Uno de ellos está integrado en el electrodo de vidrio. El otro, que hace contacto con la solución de prueba a través de un tapón poroso, puede ser un electrodo de referencia independiente o estar integrado en un electrodo combinado. El voltaje resultante será la diferencia de potencial entre las dos caras de la membrana de vidrio, posiblemente compensada por alguna diferencia entre los dos electrodos de referencia. El artículo sobre el electrodo de vidrio incluye una buena descripción e ilustración.

El diseño de los electrodos es fundamental: se trata de estructuras en forma de varilla, generalmente de vidrio, con un bulbo que contiene el sensor en la parte inferior. El electrodo de vidrio para medir el pH tiene un bulbo de vidrio diseñado específicamente para ser selectivo a la concentración de iones de hidrógeno. Al sumergirse en la solución a analizar, los iones de hidrógeno de la solución se intercambian con otros iones cargados positivamente en el bulbo de vidrio, creando un potencial electroquímico a través del bulbo. El amplificador electrónico detecta la diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos generada durante la medición y la convierte a unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través del bulbo de vidrio está linealmente relacionada con el pH según la ecuación de Nernst .

El electrodo de referencia es insensible al pH de la solución, ya que está compuesto por un conductor metálico que se conecta a la pantalla. Este conductor está sumergido en una solución electrolítica, generalmente cloruro de potasio, que entra en contacto con la solución de prueba a través de una membrana cerámica porosa. ^{[ 9 ]} La pantalla consta de un voltímetro que muestra el voltaje en unidades de pH. ^{[ 9 ]}

Al sumergir el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en la solución de prueba, se completa un circuito eléctrico en el que se crea una diferencia de potencial que es detectada por el voltímetro. El circuito puede considerarse como un recorrido desde el elemento conductor del electrodo de referencia hasta la solución circundante de cloruro de potasio, a través de la membrana cerámica hasta la solución de prueba, el vidrio selectivo de iones hidrógeno del electrodo de vidrio, la solución dentro del electrodo de vidrio, la plata del electrodo de vidrio y, finalmente, el voltímetro del dispositivo de visualización. ^{[ 9 ]} El voltaje varía de una solución de prueba a otra dependiendo de la diferencia de potencial creada por la diferencia en las concentraciones de iones hidrógeno a cada lado de la membrana de vidrio entre la solución de prueba y la solución dentro del electrodo de vidrio. Todas las demás diferencias de potencial en el circuito no varían con el pH y se corrigen mediante la calibración. ^{[ 9 ]}

Para simplificar, muchos medidores de pH utilizan una sonda combinada, que integra el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia en una sola sonda. En el artículo sobre electrodos de vidrio se ofrece una descripción detallada de los electrodos combinados . ^{[ 10 ]}

El medidor de pH se calibra con soluciones de pH conocido, generalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. ^{[ 11 ]} Para medir el pH de una solución, se utilizan electrodos como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno de la solución de prueba se equilibren con los iones en la superficie del bulbo del electrodo de vidrio. Este equilibrio proporciona una medición de pH estable. ^{[ 12 ]}

Los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH se mantienen como secretos comerciales por los fabricantes. ^{[ 13 ] : 125} Sin embargo, ciertos aspectos del diseño se publican. El vidrio es un electrolito sólido, para el cual los iones de metales alcalinos pueden conducir corriente. La membrana de vidrio sensible al pH es generalmente esférica para simplificar la fabricación de una membrana uniforme. Estas membranas tienen hasta 0,4 milímetros de espesor, más gruesas que los diseños originales, para hacer que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene funcionalidad química de silicato en su superficie, que proporciona sitios de unión para iones de metales alcalinos e iones de hidrógeno de las soluciones. Esto proporciona una capacidad de intercambio iónico en el rango de 10 ⁻⁶ a 10 ⁻⁸ mol/cm ² . La selectividad para los iones de hidrógeno (H ⁺ ) surge de un equilibrio de carga iónica, requerimientos de volumen en comparación con otros iones y el número de coordinación de otros iones. Los fabricantes de electrodos han desarrollado composiciones que equilibran adecuadamente estos factores, en particular el vidrio de litio. ^{[ 13 ] : 113–139} 

El electrodo de cloruro de plata es el más utilizado como electrodo de referencia en medidores de pH, aunque algunos diseños emplean el electrodo de calomelanos saturado . El electrodo de cloruro de plata es sencillo de fabricar y ofrece una alta reproducibilidad . El electrodo de referencia suele consistir en un hilo de platino en contacto con una mezcla de plata/cloruro de plata, sumergida en una solución de cloruro de potasio. Un tapón cerámico sirve de contacto con la solución de prueba, proporcionando baja resistencia y evitando la mezcla de ambas soluciones. ^{[ 13 ] : 76–91}

Con estos diseños de electrodos, el voltímetro detecta diferencias de potencial de ±1400 milivoltios. ^{[ 14 ]} Los electrodos están diseñados además para equilibrarse rápidamente con las soluciones de prueba, lo que facilita su uso . Los tiempos de equilibrio suelen ser inferiores a un segundo, aunque aumentan con el tiempo de envejecimiento de los electrodos. ^{[ 13 ] : 164}

Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la exactitud y la precisión . Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no se utilizan con un medio apropiado para la sonda en particular, que suele ser una solución acuosa disponible en los fabricantes de sondas. ^{[ 11 ] [ 15 ]} Los fabricantes de sondas proporcionan instrucciones para la limpieza y el mantenimiento de sus diseños de sondas. ^{[ 11 ]} Por ejemplo, un fabricante de pH de grado de laboratorio proporciona instrucciones de limpieza para contaminantes específicos: limpieza general (remojo de 15 minutos en una solución de lejía y detergente), sal ( solución de ácido clorhídrico seguida de hidróxido de sodio y agua), grasa (detergente o metanol), unión de referencia obstruida (solución de KCl), depósitos de proteínas (pepsina y HCl, solución al 1 %) y burbujas de aire. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

El Instituto Alemán de Normalización publica una norma para la medición del pH mediante medidores de pH, DIN 19263. ^{[ 17 ]}

Las mediciones muy precisas requieren que el medidor de pH se calibre antes de cada medición. Generalmente, la calibración se realiza una vez al día de funcionamiento. La calibración es necesaria porque el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante periodos prolongados. ^{[ 13 ] : 238–239}

De acuerdo con los principios de buenas prácticas de laboratorio , la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarquen el rango de valores de pH que se van a medir. Para fines generales, son adecuadas las soluciones tampón de pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para ajustar la lectura del medidor al valor de la primera solución tampón estándar y un segundo control para ajustarla al valor de la segunda solución tampón. Un tercer control permite ajustar la temperatura. Los sobres de soluciones tampón estándar, disponibles en varios proveedores, suelen indicar la dependencia de la temperatura del control de la solución tampón. Las mediciones más precisas a veces requieren calibración a tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH ofrecen corrección del coeficiente de temperatura integrada, con termopares de temperatura en las sondas de los electrodos. El proceso de calibración correlaciona el voltaje producido por la sonda (aproximadamente 0,06  voltios por unidad de pH) con la escala de pH. Las buenas prácticas de laboratorio dictan que, después de cada medición, las sondas se enjuaguen con agua destilada o desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se sequen con una toallita química para absorber el agua restante, que podría diluir la muestra y, por lo tanto, alterar la lectura, y luego se sumerjan en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular. ^{[ 18 ]}