Pengukuran pH

Pengukuran yang sangat penting dalam banyak proses kimia cair (industri, farmasi, manufaktur, produksi makanan, dll.) adalah pH:pengukuran konsentrasi ion hidrogen dalam larutan cair. Larutan dengan nilai pH rendah disebut “asam”, sedangkan larutan dengan pH tinggi disebut “kaustik”. Skala pH umum berkisar dari 0 (asam kuat) hingga 14 (kaustik kuat), dengan 7 di tengah mewakili air murni (netral):

pH didefinisikan sebagai berikut:huruf kecil "p" dalam pH berarti logaritma persekutuan negatif (basis sepuluh), sedangkan huruf besar "H" berarti unsur hidrogen. Jadi, pH adalah pengukuran logaritmik dari jumlah mol ion hidrogen (H+) per liter larutan. Kebetulan, awalan "p" juga digunakan dengan jenis pengukuran kimia lainnya di mana skala logaritmik diinginkan, pCO2 (Karbon Dioksida) dan pO2 (Oksigen) menjadi dua contohnya.

Skala pH logaritmik bekerja seperti ini:larutan dengan 10 ^-12 mol ion H+ per liter memiliki pH 12; solusi dengan 10 ^-3 mol ion H+ per liter memiliki pH 3. Meskipun sangat jarang, ada yang namanya asam dengan pH di bawah 0 dan kaustik dengan pH di atas 14. Dapat dimengerti bahwa larutan seperti itu cukup pekat dan sangat reaktif.

elektroda pH

Sementara pH dapat diukur dengan perubahan warna dalam bubuk kimia tertentu ("strip lakmus" adalah contoh umum dari kelas kimia sekolah menengah), pemantauan proses berkelanjutan dan kontrol pH memerlukan pendekatan yang lebih canggih. Pendekatan yang paling umum adalah penggunaan elektroda yang disiapkan secara khusus yang dirancang untuk memungkinkan ion hidrogen dalam larutan bermigrasi melalui penghalang selektif, menghasilkan perbedaan potensial (tegangan) terukur yang sebanding dengan pH larutan:

Desain dan teori operasional elektroda pH adalah subjek yang sangat kompleks, dieksplorasi hanya secara singkat di sini. Yang penting untuk dipahami adalah bahwa kedua elektroda ini menghasilkan tegangan yang berbanding lurus dengan pH larutan. Pada pH 7 (netral), elektroda akan menghasilkan 0 volt di antara mereka. Pada pH rendah (asam) tegangan akan dikembangkan dari satu polaritas, dan pada pH tinggi (kaustik) tegangan akan dikembangkan dari polaritas yang berlawanan.

Elektroda Pengukuran

Kendala desain yang disayangkan dari elektroda pH adalah salah satunya (disebut pengukuran elektroda) harus dibuat dari kaca khusus untuk menciptakan penghalang selektif ion yang diperlukan untuk menyaring ion hidrogen dari semua ion lain yang mengambang di dalam larutan. Kaca ini didoping secara kimia dengan ion lithium, yang membuatnya bereaksi secara elektrokimia terhadap ion hidrogen. Tentu saja, kaca tidak persis seperti yang Anda sebut "konduktor;" sebaliknya, ini adalah isolator yang sangat baik.

Ini menimbulkan masalah besar jika tujuan kita adalah mengukur tegangan antara dua elektroda. Jalur sirkuit dari satu kontak elektroda, melalui penghalang kaca, melalui larutan, ke elektroda lain, dan kembali melalui kontak elektroda lainnya, adalah salah satu dari sangat resistensi tinggi.

Elektroda Referensi

Elektroda lainnya (disebut referensi elektroda) dibuat dari larutan kimia larutan penyangga pH netral (7) (biasanya kalium klorida) yang diizinkan untuk bertukar ion dengan larutan proses melalui pemisah berpori, membentuk sambungan resistansi yang relatif rendah ke cairan uji. Pada awalnya, orang mungkin cenderung bertanya:mengapa tidak mencelupkan saja kawat logam ke dalam larutan untuk mendapatkan sambungan listrik ke cairan? Alasan ini tidak akan berhasil adalah karena logam cenderung sangat reaktif dalam larutan ionik dan dapat menghasilkan tegangan yang signifikan di seluruh antarmuka kontak logam-ke-cair.

Penggunaan antarmuka kimia basah dengan larutan terukur diperlukan untuk menghindari timbulnya tegangan seperti itu, yang tentu saja akan disalahartikan oleh perangkat pengukur apa pun sebagai indikasi pH.

Berikut adalah ilustrasi konstruksi elektroda pengukuran. Perhatikan membran kaca tipis yang dilapisi litium tempat tegangan pH dihasilkan:

Berikut adalah ilustrasi konstruksi elektroda referensi. Persimpangan berpori yang ditunjukkan di bagian bawah elektroda adalah tempat buffer kalium klorida dan cairan proses berinteraksi satu sama lain:

Tujuan elektroda pengukuran adalah untuk menghasilkan tegangan yang digunakan untuk mengukur pH larutan. Tegangan ini muncul di seluruh ketebalan kaca, menempatkan kawat perak di satu sisi tegangan dan larutan cair di sisi lain. Tujuan elektroda referensi adalah untuk menyediakan koneksi tegangan nol yang stabil ke larutan cair sehingga rangkaian lengkap dapat dibuat untuk mengukur tegangan elektroda kaca.

Sementara koneksi elektroda referensi ke cairan uji mungkin hanya beberapa kilo-ohm, resistansi elektroda kaca dapat berkisar dari sepuluh hingga sembilan ratus mega-ohm, tergantung pada desain elektroda! Karena arus apa pun di sirkuit ini harus melewati keduanya resistansi elektroda (dan resistansi yang ditunjukkan oleh cairan uji itu sendiri), resistansi ini seri satu sama lain dan oleh karena itu ditambahkan untuk membuat total yang lebih besar.

Sebuah voltmeter analog atau bahkan digital biasa memiliki resistansi internal yang terlalu rendah untuk mengukur tegangan dalam rangkaian resistansi tinggi tersebut. Diagram rangkaian ekivalen dari rangkaian probe pH khas menggambarkan masalah:

Bahkan arus sirkuit yang sangat kecil yang mengalir melalui resistansi tinggi dari setiap komponen dalam sirkuit (terutama membran kaca elektroda pengukuran), akan menghasilkan penurunan voltase yang relatif besar pada resistansi tersebut, yang secara serius mengurangi voltase yang terlihat oleh meteran. Lebih buruk lagi adalah kenyataan bahwa perbedaan tegangan yang dihasilkan oleh elektroda pengukuran sangat kecil, dalam kisaran milivolt (idealnya 59,16 milivolt per unit pH pada suhu kamar). Meteran yang digunakan untuk tugas ini harus sangat sensitif dan memiliki resistansi masukan yang sangat tinggi.

Solusi paling umum untuk masalah pengukuran ini adalah dengan menggunakan meteran yang diperkuat dengan resistansi internal yang sangat tinggi untuk mengukur tegangan elektroda, sehingga dapat menarik arus sesedikit mungkin melalui rangkaian. Dengan komponen semikonduktor modern, voltmeter dengan resistansi input hingga 10 ¹⁷ dapat dibangun dengan sedikit kesulitan. Pendekatan lain, yang jarang terlihat dalam penggunaan kontemporer, adalah dengan menggunakan pengaturan pengukuran tegangan “null-balance” potensiometrik untuk mengukur tegangan ini tanpa menggambar apa pun arus dari rangkaian yang diuji. Jika teknisi ingin memeriksa keluaran tegangan antara sepasang elektroda pH, ini mungkin cara paling praktis untuk melakukannya hanya dengan menggunakan peralatan pengukur meja standar:

Seperti biasa, suplai tegangan presisi akan diatur oleh teknisi sampai detektor nol mencatat nol, kemudian voltmeter yang dihubungkan secara paralel dengan suplai akan dilihat untuk mendapatkan pembacaan tegangan. Dengan detektor “nulled” (mendaftarkan tepat nol), harus ada arus nol di sirkuit elektroda pH, dan oleh karena itu tidak ada tegangan yang turun melintasi resistansi kedua elektroda, yang memberikan tegangan elektroda sebenarnya pada terminal voltmeter.

Persyaratan kabel untuk elektroda pH cenderung lebih parah daripada kabel termokopel, menuntut koneksi yang sangat bersih dan jarak kabel yang pendek (10 yard atau kurang, bahkan dengan kontak berlapis emas dan kabel berpelindung) untuk pengukuran yang akurat dan andal. Namun, seperti termokopel, kerugian pengukuran pH elektroda diimbangi oleh keuntungan:akurasi yang baik dan kesederhanaan teknis yang relatif.

Beberapa teknologi instrumentasi menginspirasi kekaguman dan mistik yang diperintahkan oleh pengukuran pH, karena begitu banyak disalahpahami dan sulit untuk dipecahkan. Tanpa menguraikan kimia yang tepat dari pengukuran pH, beberapa kata bijak dapat diberikan di sini tentang sistem pengukuran pH:

• Semua elektroda pH memiliki masa pakai yang terbatas, dan masa pakai tersebut sangat bergantung pada jenis dan tingkat keparahan layanan. Dalam beberapa aplikasi, masa pakai elektroda pH selama satu bulan dapat dianggap lama, dan dalam aplikasi lain, elektroda yang sama dapat bertahan lebih dari satu tahun.
• Karena kaca (pengukuran) elektroda bertanggung jawab untuk menghasilkan tegangan pH-proporsional, itu adalah salah satu yang harus dicurigai jika sistem pengukuran gagal menghasilkan perubahan tegangan yang cukup untuk perubahan pH tertentu (sekitar 59 milivolt per pH unit), atau gagal merespons dengan cukup cepat terhadap perubahan pH cairan uji yang cepat.
• Jika sistem pengukuran pH "melayang", menciptakan kesalahan offset, masalahnya kemungkinan terletak pada elektroda referensi, yang seharusnya menyediakan koneksi tegangan nol dengan larutan terukur.
• Karena pengukuran pH adalah representasi logaritmik dari konsentrasi ion, ada rentang luar biasa dari kondisi proses yang direpresentasikan dalam skala pH 0-14 yang tampaknya sederhana. Juga, karena sifat skala logaritmik nonlinier, perubahan 1 pH di ujung atas (misalnya, dari 12 menjadi 13 pH) tidak mewakili jumlah perubahan aktivitas kimia yang sama dengan perubahan 1 pH di ujung bawah. (katakanlah, dari 2 hingga 3 pH). Insinyur dan teknisi sistem kontrol harus menyadari dinamika ini jika ada harapan untuk mengendalikan proses pH pada nilai yang stabil.
• Kondisi berikut ini berbahaya untuk elektroda pengukuran (kaca):suhu tinggi, tingkat pH ekstrim (baik asam atau basa), konsentrasi ion tinggi dalam cairan, abrasi, asam fluorida dalam cairan (asam HF melarutkan kaca!), dan segala jenis bahan pelapis pada permukaan kaca.
• Perubahan suhu dalam cairan yang diukur memengaruhi respons elektroda pengukuran terhadap tingkat pH tertentu (idealnya pada 59 mV per unit pH) dan pH cairan yang sebenarnya. Perangkat pengukur suhu dapat dimasukkan ke dalam cairan, dan sinyal dari perangkat tersebut digunakan untuk mengkompensasi efek suhu pada pengukuran pH, tetapi ini hanya akan mengkompensasi respons mV/pH elektroda pengukuran, bukan perubahan pH aktual dari proses cair!

Kemajuan masih dibuat di bidang pengukuran pH, beberapa di antaranya sangat menjanjikan untuk mengatasi keterbatasan tradisional elektroda pH. Salah satu teknologi tersebut menggunakan perangkat yang disebut transistor efek medan untuk mengukur tegangan yang dihasilkan oleh membran permeabel ion secara elektrostatis daripada mengukur tegangan dengan rangkaian voltmeter yang sebenarnya. Meskipun teknologi ini memiliki keterbatasannya sendiri, setidaknya ini merupakan konsep perintis dan mungkin terbukti lebih praktis di kemudian hari.

TINJAUAN:

• pH adalah representasi dari aktivitas ion hidrogen dalam cairan. Ini adalah logaritma negatif dari jumlah ion hidrogen (dalam mol) per liter cairan. Jadi:10 ^-11 mol ion hidrogen dalam 1 liter cairan =11 pH. 10 ^-5.3 mol ion hidrogen dalam 1 liter cairan =pH 5,3.
• Skala pH dasar berkisar dari 0 (asam kuat) hingga 7 (netral, air murni) hingga 14 (kaustik kuat). Larutan kimia dengan tingkat pH di bawah nol dan di atas 14 dimungkinkan tetapi jarang terjadi.
• pH dapat diukur dengan mengukur tegangan yang dihasilkan antara dua elektroda khusus yang direndam dalam larutan cair.
• Satu elektroda, terbuat dari kaca khusus, disebut pengukuran elektroda. Tugasnya adalah menghasilkan tegangan kecil yang sebanding dengan pH (idealnya 59,16 mV per unit pH).
• Elektroda lainnya (disebut referensi elektroda) menggunakan sambungan berpori antara cairan yang diukur dan larutan buffer pH netral yang stabil (biasanya kalium klorida) untuk membuat sambungan listrik bertegangan nol ke cairan. Ini memberikan titik kontinuitas untuk rangkaian lengkap sehingga tegangan yang dihasilkan melintasi ketebalan kaca di elektroda pengukuran dapat diukur dengan voltmeter eksternal.
• Resistensi yang sangat tinggi dari membran kaca elektroda pengukuran mengharuskan penggunaan voltmeter dengan resistansi internal yang sangat tinggi, atau voltmeter keseimbangan nol, untuk mengukur voltase.