مقياس الرقم الهيدروجيني

تقيس أجهزة قياس الأس الهيدروجيني الكهروكيميائية فرق الجهد بين قطبين كهربائيين، وتعرض النتيجة مُحوّلةً إلى قيمة الأس الهيدروجيني المقابلة. تتكون هذه الأجهزة من مُضخّم إلكتروني بسيط وزوج من الأقطاب الكهربائية، أو بديلًا لذلك، قطب كهربائي مُركّب، وشاشة عرض مُعايرة بوحدات الأس الهيدروجيني. عادةً ما تحتوي على قطب زجاجي وقطب مرجعي ، أو قطب كهربائي مُركّب. تُغمر الأقطاب الكهربائية، أو المجسات، في المحلول المراد قياسه. ^{[ 8 ]} قد تعتمد أجهزة قياس الأس الهيدروجيني أيضًا على قطب الأنتيمون (المستخدم عادةً في الظروف القاسية) أو قطب الكينيدرون .

لقياس فرق الجهد بدقة بين جانبي قطب مرجعي غشائي زجاجي ، يلزم عادةً استخدام قطب كلوريد الفضة أو قطب كالوميل على كل جانب من الغشاء. وظيفتهما قياس تغيرات الجهد على كل جانب. يُدمج أحدهما في القطب الزجاجي، بينما يتصل الآخر بمحلول الاختبار عبر سدادة مسامية، وقد يكون قطبًا مرجعيًا منفصلاً أو جزءًا من قطب مركب. الجهد الناتج هو فرق الجهد بين جانبي الغشاء الزجاجي، وقد يُضاف إليه فرق جهد بين القطبين المرجعيين، ويمكن تعويض هذا الفرق. تتضمن المقالة الخاصة بالقطب الزجاجي وصفًا وافيًا ورسمًا توضيحيًا.

يُعد تصميم الأقطاب الكهربائية الجزء الأساسي: وهي عبارة عن هياكل شبيهة بالقضبان مصنوعة عادةً من الزجاج، وتحتوي على بصلة زجاجية في أسفلها تضم ​​المستشعر. يتميز قطب قياس الرقم الهيدروجيني (pH) الزجاجي ببصلة مصممة خصيصًا لتكون انتقائية لتركيز أيونات الهيدروجين. عند غمر القطب في المحلول المراد اختباره، تتبادل أيونات الهيدروجين الموجودة في المحلول مع أيونات أخرى موجبة الشحنة على البصلة الزجاجية، مما يُولد فرق جهد كهربائي عبر البصلة. يقوم المُضخِّم الإلكتروني برصد فرق الجهد الكهربائي بين القطبين الناتج عن القياس، ويُحوِّل فرق الجهد إلى وحدات الرقم الهيدروجيني (pH). تتناسب قيمة فرق الجهد الكهربائي عبر البصلة الزجاجية خطيًا مع الرقم الهيدروجيني (pH) وفقًا لمعادلة نرنست .

لا يتأثر قطب المقارنة بدرجة حموضة المحلول، فهو يتكون من موصل معدني متصل بالشاشة. يُغمر هذا الموصل في محلول إلكتروليتي، عادةً كلوريد البوتاسيوم، والذي يتلامس مع محلول الاختبار عبر غشاء خزفي مسامي. ^{[ 9 ]} تتكون الشاشة من فولتميتر يعرض الجهد بوحدات درجة الحموضة. ^{[ 9 ]}

عند غمر قطب الزجاج وقطب المقارنة في محلول الاختبار، تكتمل دائرة كهربائية ، يتولد فيها فرق جهد يقيسه الفولتميتر. يمكن تصور الدائرة على أنها تبدأ من العنصر الموصل لقطب المقارنة إلى محلول كلوريد البوتاسيوم المحيط، مرورًا بالغشاء الخزفي إلى محلول الاختبار، ثم إلى الزجاج الانتقائي لأيونات الهيدروجين في قطب الزجاج، وصولًا إلى المحلول داخل قطب الزجاج، ثم إلى فضة قطب الزجاج، وأخيرًا إلى فولتميتر جهاز العرض. ^{[ 9 ]} يختلف الجهد من محلول اختبار لآخر تبعًا لفرق الجهد الناتج عن اختلاف تركيز أيونات الهيدروجين على جانبي الغشاء الزجاجي بين محلول الاختبار والمحلول داخل قطب الزجاج. أما فروق الجهد الأخرى في الدائرة فلا تتغير بتغير الرقم الهيدروجيني، ويتم تصحيحها بواسطة المعايرة. ^{[ 9 ]}

لتبسيط الأمر، تستخدم العديد من أجهزة قياس الرقم الهيدروجيني مسبارًا مُركبًا، يتكون من قطب زجاجي وقطب مرجعي مُدمجين في مسبار واحد. يُمكن الاطلاع على وصف مُفصل للأقطاب المُركبة في مقالة الأقطاب الزجاجية . ^{[ 10 ]}

يُعاير جهاز قياس الرقم الهيدروجيني (pH) بمحاليل ذات رقم هيدروجيني معروف، عادةً قبل كل استخدام، لضمان دقة القياس. ^{[ 11 ]} لقياس الرقم الهيدروجيني لمحلول ما، تُستخدم الأقطاب الكهربائية كمجسات، تُغمر في محاليل الاختبار وتُترك فيها لفترة كافية حتى تتوازن أيونات الهيدروجين في محلول الاختبار مع الأيونات الموجودة على سطح البصلة الموجودة على القطب الزجاجي. يوفر هذا التوازن قياسًا مستقرًا للرقم الهيدروجيني. ^{[ 12 ]}

تُعتبر تفاصيل تصنيع الغشاء الزجاجي لقطب قياس الأس الهيدروجيني وبنيته المجهرية الناتجة أسرارًا تجارية لدى الشركات المصنعة. ^{[ 13 ] : 125} ومع ذلك، تُنشر بعض جوانب التصميم. يُعد الزجاج إلكتروليتًا صلبًا، حيث يمكن لأيونات المعادن القلوية أن تحمل التيار الكهربائي فيه. عادةً ما يكون الغشاء الزجاجي الحساس للأس الهيدروجيني كرويًا لتسهيل تصنيع غشاء متجانس. يصل سمك هذه الأغشية إلى 0.4 مليمتر، وهو أكثر سمكًا من التصاميم الأصلية، وذلك لجعل المجسات متينة. يحتوي الزجاج على ^وظائف كيميائية سيليكاتية على سطحه، مما يوفر مواقع ارتباط لأيونات المعادن القلوية وأيونات الهيدروجين من المحاليل. يوفر هذا سعة تبادل أيوني تتراوح بين 10⁻⁶ ^و10⁻⁸ مول /سم² ^. تنشأ انتقائية أيونات الهيدروجين (H⁺ ⁾ من توازن الشحنة الأيونية، ومتطلبات الحجم مقابل الأيونات الأخرى، وعدد التناسق للأيونات الأخرى. طوّر مصنّعو الأقطاب الكهربائية تركيبات تُوازن هذه العوامل بشكل مناسب، وأبرزها زجاج الليثيوم. ^{[ 13 ] : 113-139} 

يُستخدم قطب كلوريد الفضة عادةً كقطب مرجعي في أجهزة قياس الأس الهيدروجيني، على الرغم من أن بعض التصاميم تستخدم قطب كالوميل المشبع . يتميز قطب كلوريد الفضة بسهولة تصنيعه ودقته العالية . يتكون القطب المرجعي عادةً من سلك بلاتيني متصل بمزيج من الفضة وكلوريد الفضة، مغمور في محلول كلوريد البوتاسيوم. يوجد سدادة خزفية تعمل كنقطة اتصال بمحلول الاختبار، مما يوفر مقاومة منخفضة ويمنع اختلاط المحلولين. ^{[ 13 ] : 76-91}

بفضل تصميمات الأقطاب الكهربائية هذه، يقيس الفولتميتر فروق الجهد الكهربائي بمقدار ±1400 ملي فولت. ^{[ 14 ]} صُممت الأقطاب الكهربائية أيضًا لتتساوى بسرعة مع محاليل الاختبار، مما يُسهّل استخدامها . عادةً ما تكون أوقات الاتزان أقل من ثانية واحدة، على الرغم من أنها تزداد مع مرور الوقت. ^{[ 13 ] : 164}

نظراً لحساسية الأقطاب الكهربائية للملوثات، تُعدّ نظافة المجسات ضرورية لضمان الدقة والضبط . تُحفظ المجسات رطبةً عادةً عند عدم استخدامها في وسط مناسب لها، وهو عادةً محلول مائي متوفر لدى الشركات المصنعة للمجسات. ^{[ 11 ] [ 15 ]} تُقدّم الشركات المصنعة للمجسات تعليمات لتنظيفها وصيانتها. ^{[ 11 ]} على سبيل المثال، تُقدّم إحدى الشركات المصنعة لأجهزة قياس الأس الهيدروجيني (pH) المستخدمة في المختبرات تعليمات تنظيف لملوثات محددة: التنظيف العام (نقع لمدة 15 دقيقة في محلول من المُبيّض والمنظف)، الملح ( محلول حمض الهيدروكلوريك متبوعاً بهيدروكسيد الصوديوم والماء)، الشحوم (المنظف أو الميثانول)، انسداد وصلة المرجع (محلول كلوريد البوتاسيوم)، رواسب البروتين (محلول البيبسين وحمض الهيدروكلوريك بتركيز 1%)، وفقاعات الهواء. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

ينشر المعهد الألماني للتوحيد القياسي معيارًا لقياس درجة الحموضة باستخدام أجهزة قياس درجة الحموضة، DIN 19263. ^{[ 17 ]}

تتطلب القياسات الدقيقة للغاية معايرة جهاز قياس الأس الهيدروجيني قبل كل قياس. وعادةً ما تُجرى المعايرة مرة واحدة يوميًا. وتُعدّ المعايرة ضرورية لأن القطب الزجاجي لا يُعطي جهودًا كهروستاتيكية قابلة للتكرار على مدى فترات زمنية طويلة. ^{[ 13 ] : 238-239}

تماشياً مع مبادئ الممارسات المختبرية الجيدة ، تُجرى عملية المعايرة باستخدام محلولين قياسيين على الأقل من محاليل المعايرة التي تغطي نطاق قيم الأس الهيدروجيني المراد قياسها. وللأغراض العامة، تُعدّ المحاليل ذات الأس الهيدروجيني 4.00 و10.00 مناسبة. يحتوي جهاز قياس الأس الهيدروجيني على عنصر تحكم واحد لضبط قراءة الجهاز لتساوي قيمة محلول المعايرة القياسي الأول، وعنصر تحكم ثانٍ لضبط قراءة الجهاز لتساوي قيمة محلول المعايرة القياسي الثاني. كما يوجد عنصر تحكم ثالث لضبط درجة الحرارة. عادةً ما توضح أكياس محاليل المعايرة القياسية، المتوفرة لدى العديد من الموردين، اعتماد قيمة التحكم في المحلول على درجة الحرارة. تتطلب القياسات الأكثر دقة أحيانًا المعايرة عند ثلاث قيم أس هيدروجيني مختلفة. توفر بعض أجهزة قياس الأس الهيدروجيني تصحيحًا مدمجًا لمعامل درجة الحرارة، باستخدام أزواج حرارية في مجسات الأقطاب الكهربائية. تربط عملية المعايرة الجهد الناتج عن المجس (حوالي 0.06  فولت لكل وحدة أس هيدروجيني) بمقياس الأس الهيدروجيني. تقتضي الممارسات المختبرية الجيدة أنه بعد كل قياس، يتم شطف المجسات بالماء المقطر أو الماء منزوع الأيونات لإزالة أي آثار للمحلول المراد قياسه، ثم تجفيفها بمنديل طبي لامتصاص أي ماء متبقٍ، والذي قد يخفف العينة وبالتالي يغير القراءة، ثم غمرها في محلول تخزين مناسب لنوع المجس المحدد. ^{[ 18 ]}