Medidor de pH

Un medidor de pH es un instrumento científico que mide la actividad de iones de hidrógeno en soluciones a base de agua , indicando su acidez o alcalinidad expresada como pH . ^[2] El medidor de pH mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de referencia, por lo que a veces se lo denomina "medidor de pH potenciométrico". La diferencia de potencial eléctrico se relaciona con la acidez o el pH de la solución. ^[3] La prueba de pH mediante medidores de pH ( pH-metría ) se utiliza en muchas aplicaciones que van desde la experimentación de laboratorio hasta el control de calidad . ^[4]

La velocidad y el resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en el agua a menudo dependen de la acidez del agua, y por lo tanto es útil conocer la acidez del agua, que normalmente se mide mediante un medidor de pH. ^[5] El conocimiento del pH es útil o crítico en muchas situaciones, incluidos los análisis de laboratorio químico . Los medidores de pH se utilizan para mediciones del suelo en la agricultura , la calidad del agua para suministros de agua municipales , piscinas , remediación ambiental , elaboración de vino o cerveza, fabricación , atención médica y aplicaciones clínicas como la química sanguínea , y muchas otras aplicaciones. ^[4]

Los avances en la instrumentación y en la detección han ampliado el número de aplicaciones en las que se pueden realizar mediciones de pH. Los dispositivos se han miniaturizado , lo que permite la medición directa del pH dentro de las células vivas . ^[6] Además de medir el pH de los líquidos, existen electrodos especialmente diseñados para medir el pH de sustancias semisólidas, como los alimentos. Estos tienen puntas adecuadas para perforar semisólidos, tienen materiales de electrodos compatibles con los ingredientes de los alimentos y son resistentes a las obstrucciones. ^[7]

Los medidores de pH potenciométricos miden el voltaje entre dos electrodos y muestran el resultado convertido al valor de pH correspondiente. Comprenden un amplificador electrónico simple y un par de electrodos, o alternativamente un electrodo combinado, y algún tipo de pantalla calibrada en unidades de pH. Por lo general, 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 (generalmente utilizado para condiciones difíciles) o el electrodo de quinhidrona .

Para medir con precisión la diferencia de potencial entre los dos lados del electrodo de referencia de la membrana de vidrio , normalmente se requiere un electrodo de cloruro de plata o un electrodo de calomelanos en cada lado de la membrana. Su propósito es medir los cambios en el potencial en su lado respectivo. Uno 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 puede estar integrado en un electrodo combinado. El voltaje resultante será la diferencia de potencial entre los dos lados de la membrana de vidrio, posiblemente compensada por alguna diferencia entre los dos electrodos de referencia, que se puede compensar. El artículo sobre el electrodo de vidrio tiene una buena descripción y una figura.

El diseño de los electrodos es la parte clave: son estructuras con forma de varilla, generalmente hechas 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 sumergirlo en la solución que se va a analizar, los iones de hidrógeno en la solución de prueba se intercambian por otros iones con carga positiva 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 generados en la medición y convierte la diferencia de potencial a unidades de pH. La magnitud del potencial electroquímico a través del bulbo de vidrio está relacionada linealmente 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 inmerso en una solución electrolítica, normalmente 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 detecta el voltímetro. Se puede pensar que el circuito va desde el elemento conductor del electrodo de referencia hasta la solución de cloruro de potasio circundante, a través de la membrana cerámica hasta la solución de prueba, el vidrio selectivo de iones de hidrógeno del electrodo de vidrio, hasta la solución dentro del electrodo de vidrio, hasta 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 de hidrógeno en 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, construida con el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia contenidos 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, normalmente antes de cada uso, para garantizar la precisión de la medición. ^[11] Para medir el pH de una solución, los electrodos se utilizan como sondas, que se sumergen en las soluciones de prueba y se mantienen allí el tiempo suficiente para que los iones de hidrógeno en 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 fabricantes mantienen como secretos comerciales los detalles de la fabricación y la microestructura resultante de la membrana de vidrio del electrodo de pH . ^{[13] : 125} Sin embargo, ciertos aspectos del diseño están publicados. El vidrio es un electrolito sólido, para el cual los iones de metales alcalinos pueden transportar 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 que las sondas sean duraderas. El vidrio tiene una 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 iones de hidrógeno (H ⁺ ) surge de un equilibrio de carga iónica, requisitos de volumen versus 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 se utiliza con mayor frecuencia como electrodo de referencia en los medidores de pH, aunque algunos diseños utilizan el electrodo de calomelanos saturado . El electrodo de cloruro de plata es fácil de fabricar y proporciona una alta reproducibilidad . El electrodo de referencia generalmente consiste en un alambre de platino que tiene contacto con una mezcla de plata/cloruro de plata, que se sumerge en una solución de cloruro de potasio. Hay un tapón de cerámica, que sirve como contacto con la solución de prueba, proporcionando baja resistencia al tiempo que evita la mezcla de las dos 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 soluciones de prueba para facilitar su uso . Los tiempos de equilibrio suelen ser inferiores a un segundo, aunque aumentan a medida que los electrodos envejecen. ^{[13] : 164}

Debido a la sensibilidad de los electrodos a los contaminantes, la limpieza de las sondas es esencial para la precisión y exactitud . Las sondas generalmente se mantienen húmedas cuando no están en uso con un medio apropiado para la sonda en particular, que normalmente es una solución acuosa disponible de los fabricantes de sondas. ^{[11] [15]} Los fabricantes de sondas proporcionan instrucciones para la limpieza y el mantenimiento de sus diseños de sondas. ^[11] A modo de 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]

Para realizar mediciones muy precisas, es necesario calibrar el medidor de pH antes de cada medición. Lo más habitual es que la calibración se realice una vez al día de funcionamiento. La calibración es necesaria porque el electrodo de vidrio no proporciona potenciales electrostáticos reproducibles durante períodos de tiempo más prolongados. ^{[13] : 238–239}

De acuerdo con los principios de las buenas prácticas de laboratorio , la calibración se realiza con al menos dos soluciones tampón estándar que abarcan el rango de valores de pH que se van a medir. Para fines generales, son adecuados los tampones a pH 4,00 y pH 10,00. El medidor de pH tiene un control de calibración para establecer la lectura del medidor igual al valor del primer tampón estándar y un segundo control para ajustar la lectura del medidor al valor del segundo tampón. Un tercer control permite establecer la temperatura. Los sobres de tampón estándar, disponibles de una variedad de proveedores, generalmente documentan la dependencia de la temperatura del control del tampón. Las mediciones más precisas a veces requieren calibración a tres valores de pH diferentes. Algunos medidores de pH proporcionan una corrección del coeficiente de temperatura incorporada, con termopares de temperatura en las sondas de 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 indican que, después de cada medición, las sondas se enjuagan con agua destilada o desionizada para eliminar cualquier rastro de la solución que se está midiendo, se secan con un paño científico para absorber cualquier resto de agua que pueda diluir la muestra y alterar así la lectura, y luego se sumergen en una solución de almacenamiento adecuada para el tipo de sonda en particular. ^[18]

En general, existen tres categorías principales de medidores de pH. Los medidores de pH de sobremesa se utilizan a menudo en laboratorios y se utilizan para medir muestras que se llevan al medidor de pH para su análisis. Los medidores de pH portátiles, o de campo, son medidores de pH portátiles que se utilizan para medir el pH de una muestra en un campo o sitio de producción. ^[19] Los medidores de pH en línea o in situ, también llamados analizadores de pH, se utilizan para medir el pH de forma continua en un proceso y pueden ser independientes o estar conectados a un sistema de información de nivel superior para el control del proceso. ^[20]

Los medidores de pH varían desde dispositivos simples y económicos similares a un bolígrafo hasta instrumentos de laboratorio complejos y costosos con interfaces de computadora y varias entradas para introducir mediciones de indicadores y temperatura para ajustar la variación del pH causada por la temperatura. La salida puede ser digital o analógica, y los dispositivos pueden funcionar con baterías o depender de la red eléctrica . Algunas versiones utilizan telemetría para conectar los electrodos al dispositivo de visualización del voltímetro. ^{[13] : 197–215}

Existen medidores y sondas especiales disponibles para su uso en aplicaciones especiales, como entornos hostiles ^[21] y microambientes biológicos. ^[6] También existen sensores de pH holográficos, que permiten la medición del pH colorimétricamente , haciendo uso de la variedad de indicadores de pH que están disponibles. ^[22] Además, existen medidores de pH disponibles comercialmente basados ​​en electrodos de estado sólido , en lugar de electrodos de vidrio convencionales. ^[23]

El concepto de pH fue definido en 1909 por SPL Sørensen , y los electrodos se utilizaron para la medición del pH en la década de 1920. ^[24]

En octubre de 1934, Arnold Orville Beckman registró la primera patente para un instrumento químico completo para la medición del pH, la patente estadounidense n.º 2.058.761, para su "acidimetro", posteriormente rebautizado como medidor de pH. Beckman desarrolló el prototipo como profesor adjunto de química en el Instituto Tecnológico de California , cuando se le pidió que ideara un método rápido y preciso para medir la acidez del jugo de limón para la Bolsa de Productores de Frutas de California ( Sunkist ). ^{[25] : 131–135}

El 8 de abril de 1935, Beckman's, renombrado National Technical Laboratories , se centró en la fabricación de instrumentos científicos, con Arthur H. Thomas Company como distribuidor de su medidor de pH. ^{[25] : 131–135} En su primer año completo de ventas, 1936, la empresa vendió 444 medidores de pH por 60.000 dólares en ventas. ^[26] En los años siguientes, la empresa vendió millones de unidades. ^{[27] [28]} En 2004, el medidor de pH Beckman fue designado Monumento Químico Histórico Nacional de la ACS en reconocimiento a su importancia como el primer medidor de pH electrónico comercialmente exitoso. ^[26]

La Corporación Radiometer de Dinamarca fue fundada en 1935 y comenzó a comercializar un medidor de pH para uso médico alrededor de 1936, pero "se descuidó el desarrollo de medidores de pH automáticos para fines industriales. En cambio, los fabricantes de instrumentos estadounidenses desarrollaron con éxito medidores de pH industriales con una amplia variedad de aplicaciones, como en cervecerías, fábricas de papel, fábricas de aluminio y sistemas de tratamiento de agua". ^[24]

En la década de 1940, los electrodos para los medidores de pH eran difíciles de fabricar o poco fiables debido a la fragilidad del vidrio. El Dr. Werner Ingold comenzó a industrializar la producción de celdas de medición de una sola varilla, una combinación de electrodo de medición y de referencia en una unidad de construcción ^[29] , lo que condujo a una aceptación más amplia en una amplia gama de industrias, incluida la producción farmacéutica. ^[30]

Beckman comercializó un "medidor de pH de bolsillo" portátil en 1956, pero no tenía una lectura digital. ^[31] En la década de 1970, Jenco Electronics de Taiwán diseñó y fabricó el primer medidor de pH digital portátil. Este medidor se vendió bajo la marca de Cole-Parmer Corporation . ^[32]

Se requiere una fabricación especializada para los electrodos, y los detalles de su diseño y construcción suelen ser secretos comerciales. ^{[13] : 125} Sin embargo, con la compra de electrodos adecuados, se puede utilizar un multímetro estándar para completar la construcción del medidor de pH. ^[33] Sin embargo, los proveedores comerciales ofrecen pantallas de voltímetro que simplifican el uso, incluida la calibración y la compensación de temperatura. ^[7]

• Electrodo de antimonio
• Electrodos selectivos de iones
• Electrodo de pH ISFET
• Potenciometría
• Electrodo de quinhidrona
• Electrodo de calomelanos saturado
• Electrodo de cloruro de plata
• Electrodo de hidrógeno estándar

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con medidores de pH .

• Introducción a la medición del pH: descripción general del pH y la medición del pH en el sitio web de Omega Engineering
• Desarrollo del medidor de pH Beckman: monumento químico histórico nacional de la Sociedad Química Estadounidense
• Manual de medición de pH: una publicación de Thermo-Scientific Co.