3-Funcionamiento del Electrodo sensible y el electrodo de referencia

En siguiente imagen vemos como trabajan ambos electrodos por separado, el electrodo sensible al pH y el electrodo de referencia

Este par electromotriz se puede ensamblar en un unico dispositivo con lo cual se obtiene el "Electrodo Combinado" cuyo esquema es el siguiente.Son los electrodos mas utilizados en los Laboratorios.

Actualmente la mayoria de los electrodos combinados son descartables , su vida util oscila en los 2 años.Exiten electrodos a los que se les puede reponer el electrolito interno como el siguiente.

En el siguiente video posemos escuchar una explicación acerca de como funciona un electrodo combinado para medir el pH

Existen ,ademas , electrodos de Estado Solido ( semiconductores) son mas pequeños que los tradicionales electrodos de vidrio pero no son tan precisos todavia.

Existen diferentes geometrias ( formas) del electrodo de vidrio segun la aplicación

Estructura y composicion de un  vidrio sensible al pH 

2-Componentes del pHmetro El electrodo de referencia y el electrodo de vidrio

El electrodo de referencia

El electrodo de referencia tiene la tarea de proporcionar un potencial de referencia constante.
Cada electrodo de referencia consta de un elemento de referencia que está colocado en una solución electrolítica definida. Este electrolito debe tener contacto con el medio a medir. En los electrodos de referencia corrientes la conexión se realiza usando el llamado diafragma que garantiza flujo de iones.

El diafragma:

Existen varios tipos de diafragmas: un pin de madera, una espiga cerámica porosa, un pequeño agujero, vidrio molido, un poro o un haz de fibras, sólo por nombrar unos pocos.

El tipo a utilizar depende de la tarea de medición, pero con mayor frecuencia, de la filosofía de la empresa fabricante del electrodo de que se trate. El más ampliamente usado diafragma cerámico puede dar lugar a problemas debido a su estructura porosa tipo esponja. Se obstruye y la lectura se hace inestable.
No obstante, el mayor número de tareas de medición que se realizan en el uso diario utilizan diafragmas cerámicos “sin mantenimiento”.

El potencial del sistema de referencia está definido por los electrolitos de referencia y el elemento de referencia.

Normalmente se utiliza como electrolito de referencia una solución 3 M de cloruro potásico (KCI). El elemento de referencia
está compuesto, normalmente, por un hilo de plata clorado.

Por razones de compensación electroquímica, también se debe disolver cloruro de plata (AgCI) en los electrolitos de referencia. Como el  AgCI puede dar lugar a obstrucciones en el diafragma (cerámico) con algunas soluciones de medición, se colocan en el sistema de referencia electrodos de pH más recientes con un llamado cartucho donde se retiene el AgCI. El electrolito de referencia usado para rellenar debe estar libre de AgCI.

Los electrodos de pH

La medición del pH es la conversión de la concentración de iones hidronio en una tensión eléctrica. A finales del siglo XIX se realizaron experimentos utilizando placas de platino pulido y puentes de electrolito (soluciones salinas) para poder realizarlo.

Como el electrolito se consume y los valores medidos se deben referir a una referencia para obtener valores estables, se ha introducido el sistema de dos electrodos para esta finalidad.

En el electrodo de medición se genera un potencial que es proporcional a la concentración de iones de hidrógeno (pH). El electrodo de referencia proporciona la referencia de potencial del sistema. El pH se traduce en una diferencia de potencial o tensión eléctrica entre el electrodo de medición y el electrodo de referencia que puede ser interpretada por circuitos electrónicos para poder mostrar su valor. En el ámbito del progreso técnico, se ha ideado mejorar el complicado manejo de los dos sensores (uso de laboratorio) mediante la integración de ambos canales de medición en un electrodo individual, el llamado electrodo combinado.

Actualmente, se utilizan casi exclusivamente electrodos combinados de pH.

Electrodo de medición:

El electrodo de vidrio posee las mejores características técnicas de medición posibles de todos los sensores que existen.

Además de su manejo sencillo, también ofrece la mayor precisión posible. Se puede aplicar universalmente y es muy resistente a las influencias de la solución tales como color, viscosidad y composición química.

La pieza central de este electrodo de medición es una membrana de vidrio muy delgada (membrana de pH) fabricada con un vidrio selectivo del pH especial. Este vidrio tiene la capacidad de reaccionar con la humedad o el agua de forma que se crea una finísima capa invisible que contiene agua sobre la superficie. Este gel o capa se utiliza como barrera selectiva que, prácticamente, solo intercambia los iones H+ con la solución a medir. El intercambio de otros iones se bloquea.

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1-pHmetros -Definición de pH de una solución

Vamos a definir a los ácidos y las bases segun la teoria de Bronsted y Lowry ( existe tambien la Teoria de Acidos y Bases de Lewis).

La Teoría de Brønsted–Lowry  las considera como reacciónes  de intercambio de protones:​

ácido + base  base conjugada + ácido conjugado

El ácido pierde un protón, dando la base conjugada, el protón se transfiere a la base, dando el ácido conjugado. Para soluciones acuosas de un ácido HA, la base es el agua, la base conjugada del ácido es A^- y el ácido conjugado de la base es el ion hidronio. La definición de Brønsted-Lowry se aplica a otros disolventes, como el dimetilsulfóxido: el solvente S actúa como una base, aceptando un protón y formando el ácido conjugado SH⁺.

En química en solución es común utilizar H⁺ como una abreviatura del ion hidrógeno solvatado, independientemente del disolvente. En solución acuosa, H⁺ denota un ion hidronio solvatado en lugar de un protón.⁵​⁶​

La designación de un ácido o una base como "conjugado" depende del contexto. El ácido conjugado BH⁺ de una base B se disocia según la ecuación:

BH⁺ + OH^-  B + H₂O

que es la inversa del equilibrio:

H₂O (ácido) + B (base)  OH⁻ (base conjugada) + BH⁺ (ácido conjugado)

El ion hidróxido OH⁻, una base bien conocida, actúa aquí como la base conjugada del ácido agua. Los ácidos y las bases se consideran así simplemente como donadores o aceptores de protones, respectivamente.

El agua es anfiprótica: puede reaccionar tanto como un ácido o como una base. 

El pH se define como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno:

${\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}{a}_{\rm {H^{+}}}}$    La "actividad" de un ion es la "Concentración efectiva" del mismo en la solución.

para los fines de esta información vamos a considerar que es igual a la Concentración sin embargo es necesario aclarar que la actividad es igual a la concentración del mismo solo  a diluciones muy grandes.

También se define el pOH, como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidróxido.

${\displaystyle \mathrm {pOH} =-\log _{10}{a}_{\rm {OH^{-}}}}$

Puesto que el agua está disociada  en una pequeña extensión en iones OH^– y H₃O⁺, se tiene:

${\displaystyle K_{\rm {w}}={\rm {[{H_{3}O}^{+}]\cdot [{OH}^{-}]=10^{-14}}}}$

Donde:

• ${\displaystyle K_{\rm {w}}}$ es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10⁻¹⁴
•  es la concentración de iones hidronio
• ${\displaystyle {\rm {[OH^{-}]}}}$ es la concentración de iones hidroxilo

Por lo tanto,

${\displaystyle \log K_{\rm {w}}=\log \mathrm {[H^{+}]} +\log \mathrm {[OH^{-}]} }$

${\displaystyle -14=\log \mathrm {[H^{+}]} +\log \mathrm {[OH^{-}]} }$

${\displaystyle 14=-\log \mathrm {[H^{+}]} -\log \mathrm {[OH^{-}]} }$

${\displaystyle {\rm {pH+pOH=14}}}$

En condiciones estándar de presión y temperatura, alrededor de 25 °C (298 K):

${\displaystyle K_{w}=[H_{3}O^{+}]\cdot [OH^{-}]=1.0\cdot 10^{-14}}$.

Apliquen la Definición de pH y calculen el pH del agua a 25°C teniendo en cuenta que las concentraciones molares de iones Hidronio y iones hidroxilo en agua pura seran iguales.

Como las calculan?

ATENCION :Observar que  producto iónico del agua, es dependiente de la Temperatura  ( se hace menor con el aumento de la Temperatura)   y la Presión.

 Por ejemplo a  0 °C el  pH del agua pura es de  7.47. A 25 °C es 7.00, y a  100 °C es 6.14.

La expresion " pOH" es muy poco usada.

En el siguiente link podemos ver una simulación de la "autoprotólisis" del agua

Descripccion del objetivo de este Blog-Medidores de pH

Dedicado a los Alumnos de la EEST N°4 Gral Martin Miguel de Guemes de Florida Provincia de Buenos Aires -República Argentina

Este Blog esta dedicado a la descripción del funcionamiento,calibración, uso , aplicaciones y mantenimiento de Equipos de Laboratorio como se pHmetros, colorimetros ,  espectrofotómetros ,tituladores automáticos, destiladores,refractómetros, centrífugas , muflas, pipetas,conductímetros,  termómetros, etc que son algunos de los instrumentos de medicion mas comunes de encontrar en los Laboratorios Químicos.

Comenzaremos por los medidores de pH comunmente llamados  "peachimetros"


En las imagenes de abajo podemos ver tipicos "Peachimetros" dos simples para trabajos de campo y dos de mesa, uno analogico y otro digital.La ultima imagen es de un pHmetro portatil  con microprocesador ( detecta el calibrador y posee sonda de temperatura).Tambien existen medidores de pH que transmiten las lecturas por medio de wifi a un smartphone