Sensor PH by Jhonatan Gomez
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Objetivo
Que las personas que asisten a lapresente exposición logren unainterpretación de resultados de losinformes de calibración del área depH así como también la capacidadde diferenciar las formas de medirPH con sus debidos electrodos.
3
Temario
Conceptos.
Historia
Factores que afectan las mediciones de pH.
Corrección por temperatura.
Sistema de medición (componentes).
Medición de pH.
¿Cómo nace la escala de pH?
¿Cómo se clasifican los sensores de pH?
¿Cómo funciona un medidor de pH?
TIPOS DE ELECTRODOS DE PH
4
Definiciones
Instrumento de medición
Patrón (de medición)
Material de referencia
Material de referencia certificado
Calibración
Verificación
Ajuste
5
Definiciones
Instrumento de medición:
Dispositivo destinado a realizar una medición, solo o en un conjunto de equipos auxiliares.
Ejemplos:
o Balanza analítica
o Termómetro
o Medidor de pH
o Cromatógrafo
6
Definiciones
Patrón (de medición):
Medida materializada, instrumento de medición, material dereferencia o sistema destinado a definir, realizar, conservar oreproducir una unidad o uno o más valores de una cantidad paratransmitirlas, por comparación, a otros instrumentos de medición .
Ejemplos:
Patrón de masa de 1 kg
Resistencia patrón
7
Definiciones
Material de referencia (MR):
Material o sustancia para el cual el valor de una o de varias de suspropiedades es lo suficientemente homogéneo y bien establecidocomo para ser utilizado como referencia en la calibración de uninstrumento, en la evaluación de un método de medición o paraasignar valores a las propiedades de otros materiales.
8
Definiciones
Material de referencia Certificado (MRC):
Material de referencia, acompañado de un certificado y para el cualel valor de una o de varias de sus propiedades se ha certificado pormedio de un procedimiento que establece su trazabilidad a unarealización exacta de la unidad en la que se expresan los valores dela propiedad y en el que cada valor certificado se acompaña de unaincertidumbre con un nivel de confianza declarado.
9
Definiciones
Usos y aplicaciones:
Calibración de instrumentos de medición.
Validación y/o verificación del desempeño de métodos y/o técnicas.
Evaluación del funcionamiento de un equipo.
Evaluación de la capacidad técnica de un analista.
Pruebas de inter laboratorio.
10
Definiciones
Calibración:
Conjunto de operaciones que establecen, bajo condicionesespecíficas, la relación entre los valores de una magnitud indicadaspor un instrumento o un sistema de medición, o los valoresrepresentados por una medida materializada o un material dereferencia, y los valores correspondientes de la magnitud realizadapor un patrón de referencia.
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Definiciones
Verificación:
Confirmación por análisis y evidencia de que los requisitos especificados han sido alcanzados.
Ajuste:
Operación destinada a llevar a un instrumento demedición a un estado de funcionamientoconveniente para su uso.
12
Notas
1. La verificación proporciona un medio para lacomprobación de que las desviaciones entre losvalores indicados por un instrumento y los valoresconocidos correspondientes son más pequeñas quelos límites de error permisibles definidos en unaregulación o especificación característica delmanejo del equipo de medición.
2. El resultado de una verificación lleva a una decisión,es decir, restablecer el servicio, realizar un ajuste,repararlo, degradarlo o declararlo obsoleto.
El pH es una medida
de acidez o alcalinidad de una disolución.
El pH indica la concentración de iones de
hidronio [H3O+] presentes en determinadas
sustancias.
El pH se define como:
14
Definición de pH
El pH es definido en función de la actividad del Ion hidrógeno
La actividad se relaciona con la concentraciónmediante el “coeficiente de actividad”
log logH H HpH a Y m
1884 -Teoría de la disociacióniónica: En 1884 SvanteArrhenius desarrolló la teoríade la existencia de los iones yde la disociación iónica.
Según esta teoría, estassustancias al disolverse enagua o al fundirse, rompensus moléculas eléctricamenteneutras- liberando sus ionescomponentes.
Historia
1909-Zygmunt Klemsiewicz
que descubrió que la ampolla
devidrio (que llamó electrodo
de vidrio) se podrían utilizar
para medir la actividad de
iones hidrógeno y que esta
seguida una función
logarítmica.
El bioquímico danés Soren
Sorensen entonces inventó la
escala del pH en el año 1909.
Se inventaron tubos de
electrones.
Más tarde aún, la invención de lostransistores de efecto de campo (FET) ycircuitos integrados (ICs) con compensaciónde temperatura, que permitió medir el voltajedel electrodo de vidrio con precisión
En primer medidor de pH fue construida en1934 por Arnold Beckman. Electrodo de pHde vidrio
18
Efecto del medio:
Existen interacciones químicas y electrostáticas entrelos iones.
Temperatura:
A mayor temperatura, mayor actividad y menor pH
A menor temperatura, menor actividad y mayor pH
Factores que afectan la medición
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Observaciones
La medición de la actividad del Ion hidrógeno conel electrodo de vidrio está influenciadaprincipalmente por la fuerza iónica, el solvente y latemperatura.
Describir la muestra (temperatura, apariencia,procedencia, etc.)
20
Sistema de medición potenciométrico
(1935) Dr. Beckman en el instituto de Tecnologíade California desarrolló el primer medidorcomercial de pH.
Componentes:
Medidor
Electrodo de vidrio
Electrodo de referencia
21
Sistema de medición potenciométrico
6.877 pH stope 98.1%
25oC pHo=7.010
mV
oC
CAL
MEDIDOR Electrodo
E. Ref.
22
Sistema de medición
Electrodo de vidrio. Potencial proporcional a laactividad del ion higrógeno (Ecn de Nernst)
0
0
2,3026
0,198
obs
obs K
RTE E pHF
E E T pH
23
Medición de pH
Por comparación del valor de pH de la muestra con el desoluciones estándar de valor conocido (buffers)
Las soluciones estándar (S1 y S2) son usadas para “calibrar”AJUSTAR las lecturas del electrodo del sistema de medición
S1 y S2 deben estar en ambos lados y tan cerca como seaposible del valor de la muestra.
1
2 1
( ) ( 1) 2 1X S
S S
E EpH X p S pH S pH S
E E
24
Relación de la temperatura con el potencial
Temperatura ºC (mV/ unidad de pH)
0 54,20
25 59,16
37 61,54
60 66,10
100 74,04
26
Equilibrio de ionización del agua La experiencia demuestra que el agua tiene
una pequeña conductividad eléctrica lo queindica que está parcialmente disociado eniones:
H2O (l) →H+(ac) + OH– (ac)
H+ · OH–Kc = ——————
H2O Como H2O es constante por tratarse de un
líquido, llamaremos Ka = [H+][OH-]
conocido como “producto iónico del agua”
27
El valor de dicho producto iónico del agua es: Ka (25ºC) = 10–14 M2
En el caso del agua pura:H+ = OH– = = 10–7 M(mol/litro)
Se denomina pH a:pH = – log[H+]= 7M
Y para el caso de agua pura, como H+=10–7M:
pH = – log 10–7 = 7
pH = -log [H+]
H2O « H+ + OH-
Ka = [H+][OH-] = 10-14
pH o índice de concentración de hidrogeniones
• El símbolo pH significa “potencia negativa de la
concentración de ión hidrógeno.”
• El valor del pH se emplea como unidad de medida
para la acidez o la alcalinidad de un producto
liquido.
¿Cómo nace la escala de pH?
Según el principio de transducción:
Electroquímicos
efecto de la interacción electroquímica entre el
analito y el electrodo
Ópticos
fenómenos ópticos, resultantes de la interacción
del analito y el receptor
Másicos
cambio de masa sobre una superficie modificada
Térmicos
efecto calorífico de la interacción entre el analito y
el receptor
Señal
Eléctrica
Potenciométricos
Amperométricos
Semiconductores
Se puede describir la potenciometría
simplemente como la medición de un
potencial en una celda electroquímica. El
instrumental necesario para las medidas
potenciométricas comprende un:• electrodo de referencia
• un electrodo indicador
• un dispositivo de medida de potencial.
Ag/AgCl
Internal Wire
Buffered
KCl Solution
Stem Glass
pH
Sensitive
Glass
Electrodo de
referencia
Electrodo indicador
Electrodo de
referencia
Electrodo indicador
que genera un
potencial
constante e
independiente del
pH,
completamente
insensible a la
composición de la
solución en
estudio.
actualmente constituye
la pieza
fundamental en la
medición
electrométrica del pH.
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Bulbo
sensible
Principio de operación
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Principio de operación
La varilla de soporte
del electrodo es de
vidrio común (o
plástico), no
conductor de cargas
eléctricas
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Principio de operación
La varilla de soporte
del electrodo es de
vidrio común (o
plástico), no
conductor de cargas
eléctricas
El vidrio de pH es conductor
de cargas eléctricas porque
tiene
óxido de litio dentro del
cristal
Bulbo sensible
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Principio de operación
La varilla de soporte
del electrodo es de
vidrio común (o
plástico), no
conductor de cargas
eléctricas
La estructura del vidrio es
tal que permite el
intercambio de iones litio
por iones de hidrógeno en
solución acuosa
Bulbo sensible
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Principio de operación
La varilla de soporte
del electrodo es de
vidrio común (o
plástico), no
conductor de cargas
eléctricas
Se crea así un potencial
(del orden mv) a través de
la interface creada entre el
vidrio y la solución acuosa.
Bulbo sensible
Buffered
Internal
Solution
External
Aqueous
Solution
H+
H+
Li+
Li+Li+
.001
.03 to .1 mm
.001 mm
mm
Alambre de
Ag/AgCl
Solución de KCl
Vidrio aislante
Principio de operación
Bulbo sensible
El cloruro de potasio es una
sal que se disocia
totalmente según la
siguiente reacción: KCl –>
K+ + Cl-; por tanto su
solución tiene un carácter
neutro pH=7
El voltaje creado hacia el interior del bulbo es
constante porque se
mantiene su pH constante ,de modo que la
diferencia de potencial depende sólo del pH
del medio externo.
La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de de un electrodo fuera de las condiciones estándar
Donde: E = potencial medido E0 = potencial constante R = constante de los gases T = temperatura en grados Kelvin n = carga iónica(la cantidad de electrones que participan en la reacción.) F = constante de Faraday Ln(H+) es el logaritmo neperiano de la concentración de iones
hidrogeno
• V1 y V2:
• potenciales asociados con las
membranas del electrodo de
medición.
• a1 :
• Son las actividades en la disolución
problema .
• a2:
• Son las actividades en la disolución
del electrodo de referencia interno.
• a1' y a2' :
• Son las actividades del ion hidrógeno
en cada una de las capas de gel en
contacto con las disoluciones
El potencial de membrana, E, viene dado
por la diferencia entre ambos potenciales:
Por lo tanto:
Usando el logaritmo en base diez en la
ecuación (3), tenemos:
Y con la definición de pH(-log[H+]) nos
queda
a 25 °C (298,15 K) y con los valores de las
constantes, remplazando en la ecuación ,
se tiene:
Lo que permite obtener en la ecuación unarelación lineal entre el pH y el potencial dela membrana.
Se observa que por cada unidad de pH elpotencial cambia 59,176 mV
Además el potencial cuando el pH es de 7unidades es cero, por lo tanto la relaciónentre el potencial del electrodo y el pH sepuede observar en la siguiente figura:
0
mV Output
pH
100°C (74.04 mV/pH)
25°C (59.16 mV/pH)
0°C (54.20 mV/pH)
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
600
400
200
- 200
- 400
- 600
Combination Technique
pH
Reference
Electrode
pH
Glass
Electrode
E1E2
E1
E2E1- E2
100 MEG
El electrodo de combinaciónLa medición y electrodos de referencia
pueden estar unidos entre sí en un solocuerpo, conocido como un electrodo decombinación.
Las funciones son idénticas a las del parde electrodos, y el electrodo decombinación pueden ser fabricados parasu uso en la mayoría de los procesosindustriales.
El instrumento de medición de pH tiene por
objeto transformar el potencial del electrodo
en una indicación correspondiente al pH de
la solución a medir.
Adquisición de la señal
Tratamiento de la señal
Incertidumbre y rango de validez
A. Según la Membrana de Vidrio
La membrana de vidrio o bulbo de un electrodo se
construye para ser usada en condiciones específicas.
Diferentes tipos de membranas de vidrio pueden hacer el
electrodo mas fuerte, expandir su rango de temperatura o
prevenir el error de sodio para altos valores de pH.
1)Vidrio para propósito general: varios rangos de pH, y
temperaturas hasta los 100ºC.
2)Vidrio azul: pH del 0-13, y temperaturas hasta los
110ºC.
3)Vidrio ámbar: pH del 0-14, temperaturas hasta 110ºC,
y bajo error de sodio.
B. Según el Cuerpo
1)Electrodos con cuerpo de Epoxy: son
resistentes a los golpes, pero no deben
ser usado a altas temperaturas o para
compuestos inorgánicos.
2)Electrodos con cuerpo de vidrio:
Resisten altas temperaturas y materiales
altamente corrosivos o solventes.
C. Según la Sustancia de Relleno
1)Recargables: Tienen puertos que permitenrellear la cavidad de referencia con lasolución de referencia. Son económicos yduraderos.
2)Sellados: Son mas resistentes yprácticamente no requieren mantenimiento.Por supuesto, deben ser reemplazadoscuando el nivel de la solución de referenciaestá bajo.
