pH-mittauksen perusperiaate
Tuttu ja ikivanha kemiallisten reaktioprosessien määrittämiseen käytetty nollavirran mittausmenetelmä on luultavasti pH-mittaus. Yleisesti ottaen pH-mittausta käytetään määrittämään liuoksen happamuus tai emäksisyys. Jopa kemiallisesti puhtaassa vedessä on hivenen dissosiaatiota, ja sen ionisaatioyhtälö on: H2O H2O=H3O-OH - (1) Koska vain hyvin pieni määrä vettä dissosioituu, sen moolipitoisuus ionit ovat yleensä negatiivinen tehoeksponentti. Välttääkseen käyttämästä moolipitoisuuden negatiivista tehoeksponenttia laskelmissa biologi Sorensen ehdotti vuonna 1909 tämän epämukavan arvon korvaamista logaritmilla ja määrittelemään sen "pH-arvoksi". Matemaattisesti pH-arvo määritellään yleisesti käytetyn vetyionipitoisuuden negatiiviseksi logaritmiksi. Eli pH=yksi log [H]
(2) Ionituotteen voimakkaan lämpötilariippuvuuden vuoksi prosessin ohjauksen pH-arvon kannalta on välttämätöntä tuntea samanaikaisesti liuoksen lämpötilaominaisuudet. Vasta kun mitattu väliaine on samassa lämpötilassa, sen pH-arvoa voidaan verrata. Toistettavan pH-arvon saamiseksi pH-mittaukseen käytetään potentiometristä analyysiä. Potentiaalianalyysimenetelmässä käytettyä elektrodia kutsutaan ensiökakuksi. Tämän akun jännitettä kutsutaan sähkömoottorivoimaksi (EMF). Tämä sähkömotorinen voima (EMF) koostuu kahdesta ja puolesta akusta. Toista puolikennoista kutsutaan mittauselektrodiksi, ja sen potentiaali liittyy tiettyyn ioniaktiivisuuteen; Toinen puolikenno on vertailukenno, jota kutsutaan yleisesti referenssielektrodiksi, joka on yleensä kytketty mittausliuokseen ja yhdistetty teolliseen pH-mittariin. Normaali vetyelektrodi on vertailupiste kaikille potentiaalimittauksille. Vakiovetyelektrodi on platinalanka, joka on galvanoitu (päällystetty) platinakloridilla ja jota ympäröi vetykaasu. Tutuin ja yleisimmin käytetty pH-indikaattorielektrodi on lasielektrodi. Se on lasiputki, jonka päähän on puhallettu pH-herkkä lasikalvo. Putki täytetään KCI-puskuriliuoksella, joka sisältää kyllästettyä AgCI:ta, jonka pH-arvo on 7. Lasikalvon molemmilla puolilla oleva potentiaaliero, joka heijastaa pH-arvoa, seuraa Nernstin kaavaa: E=Eo. 1n [H3oq (3) n.] Kaavassa E on potentiaali; E on elektrodin standardijännite; R on kaasuvakio; T on Kelvinin lämpötila; F on Faradayn vakio; N on mitatun ionin valenssi; [HO] on HO-ionin aktiivisuus. Kuten yllä olevasta yhtälöstä voidaan nähdä, potentiaalin E ja HO-ionien aktiivisuuden ja lämpötilan välillä on tietty suhde. Tietyssä lämpötilassa potentiaalia E mittaamalla voidaan laskea ln [HO] (muunnettu log [HO]:ksi pH:n saamiseksi), mikä on pH:n havaitsemisen perusperiaate. Nernstin kaavassa lämpötilalla on merkittävä rooli muuttujana. Lämpötilan noustessa myös potentiaaliarvo kasvaa. Jokaista 1 asteen lämpötilan nousua kohden se aiheuttaa mahdollisen muutoksen 0,2 mV/pH. Esitettynä pH-arvona, pH-arvo vaihtelee 0,0033 per LPH per I~C. Tämä tarkoittaa, että noin 20-30 asteen ja 7 pH:n mittauksissa lämpötilan muutoksia ei tarvitse kompensoida. Sovelluksissa, joissa lämpötila on yli 30 astetta tai alle 20 astetta ja pH-arvo yli 8 tai alle 6, lämpötilan muutokset on kompensoitava.
