Medição de pH

Uma medição muito importante em muitos processos químicos líquidos (industrial, farmacêutico, manufatura, produção de alimentos, etc.) é a do pH:a medição da concentração de íons de hidrogênio em uma solução líquida. Uma solução com um baixo valor de pH é chamada de "ácido", enquanto outra com um pH alto é chamada de "cáustica". A escala de pH comum se estende de 0 (ácido forte) a 14 (cáustico forte), com 7 no meio representando água pura (neutro):



O pH é definido como segue:a letra minúscula “p” em pH representa o logaritmo comum negativo (base dez), enquanto a letra maiúscula “H” representa o elemento hidrogênio. Assim, o pH é uma medida logarítmica do número de moles de íons hidrogênio (H +) por litro de solução. Incidentalmente, o prefixo “p” também é usado com outros tipos de medições químicas onde uma escala logarítmica é desejada, pCO2 (Dióxido de Carbono) e pO2 (Oxigênio) sendo dois desses exemplos.

A escala logarítmica de pH funciona assim:uma solução com 10 ^-12 moles de íons H + por litro tem um pH de 12; uma solução com 10 ^-3 moles de íons H + por litro tem um pH de 3. Embora muito incomum, existe um ácido com uma medição de pH abaixo de 0 e um cáustico com um pH acima de 14. Tais soluções, compreensivelmente, são bastante concentradas e extremamente reativo.

Eletrodos de pH

Embora o pH possa ser medido por mudanças de cor em certos pós químicos (a “tira de tornassol” é um exemplo familiar das aulas de química do ensino médio), o monitoramento contínuo do processo e o controle do pH requerem uma abordagem mais sofisticada. A abordagem mais comum é o uso de um eletrodo especialmente preparado projetado para permitir que os íons de hidrogênio na solução migrem através de uma barreira seletiva, produzindo uma diferença de potencial mensurável (voltagem) proporcional ao pH da solução:



O projeto e a teoria operacional de eletrodos de pH é um assunto muito complexo, explorado apenas brevemente aqui. O que é importante entender é que esses dois eletrodos geram uma tensão diretamente proporcional ao pH da solução. A um pH de 7 (neutro), os eletrodos produzirão 0 volts entre eles. Em um pH baixo (ácido), uma voltagem será desenvolvida com uma polaridade, e em um pH alto (cáustico), uma voltagem será desenvolvida com a polaridade oposta.

Eletrodo de Medição

Uma infeliz restrição de projeto de eletrodos de pH é que um deles (chamado de medição eletrodo) deve ser construído de vidro especial para criar a barreira seletiva de íons necessária para filtrar os íons de hidrogênio de todos os outros íons flutuando na solução. Este vidro é quimicamente dopado com íons de lítio, que é o que o faz reagir eletroquimicamente aos íons de hidrogênio. Claro, o vidro não é exatamente o que você chamaria de "condutor"; em vez disso, é um isolante extremamente bom.

Isso representa um grande problema se nossa intenção é medir a tensão entre os dois eletrodos. O caminho do circuito de um contato do eletrodo, através da barreira de vidro, através da solução, para o outro eletrodo, e de volta através do contato do outro eletrodo, é um dos extremamente alta resistencia.

Eletrodo de Referência

O outro eletrodo (chamado de referência eletrodo) é feito de uma solução química de solução tampão de pH neutro (7) (geralmente cloreto de potássio) que permite a troca de íons com a solução do processo por meio de um separador poroso, formando uma conexão de resistência relativamente baixa com o líquido de teste. A princípio, alguém pode estar inclinado a perguntar:por que não simplesmente mergulhar um fio de metal na solução para obter uma conexão elétrica com o líquido? O motivo pelo qual isso não funcionará é que os metais tendem a ser altamente reativos em soluções iônicas e podem produzir uma tensão significativa na interface do contato metal-líquido.

O uso de uma interface química úmida com a solução medida é necessário para evitar a criação de tal voltagem, a qual, é claro, seria interpretada erroneamente por qualquer dispositivo de medição como sendo indicativa de pH.

Aqui está uma ilustração da construção do eletrodo de medição. Observe a fina membrana de vidro dopada com lítio através da qual a voltagem de pH é gerada:



Aqui está uma ilustração da construção do eletrodo de referência. A junção porosa mostrada na parte inferior do eletrodo é onde o tampão de cloreto de potássio e o líquido do processo se relacionam:



O propósito do eletrodo de medição é gerar a voltagem usada para medir o pH da solução. Essa voltagem aparece na espessura do vidro, colocando o fio de prata de um lado da voltagem e a solução líquida do outro. A finalidade do eletrodo de referência é fornecer a conexão estável de tensão zero para a solução líquida de modo que um circuito completo possa ser feito para medir a tensão do eletrodo de vidro.

Enquanto a conexão do eletrodo de referência ao líquido de teste pode ser apenas alguns quilo-ohms, a resistência do eletrodo de vidro pode variar de dez a novecentos mega-ohms, dependendo do projeto do eletrodo! Sendo que qualquer corrente neste circuito deve viajar através de ambos resistências dos eletrodos (e a resistência apresentada pelo próprio líquido de teste), essas resistências estão em série umas com as outras e, portanto, se somam para fazer um total ainda maior.

Um voltímetro analógico ou mesmo digital comum tem uma resistência interna muito baixa para medir a tensão em um circuito de alta resistência. O diagrama de circuito equivalente de um circuito de sonda de pH típico ilustra o problema:



Mesmo uma corrente de circuito muito pequena viajando através da alta resistência de cada componente no circuito (especialmente a membrana de vidro do eletrodo de medição), irá produzir quedas de voltagem relativamente substanciais através dessas resistências, reduzindo seriamente a voltagem vista pelo medidor. Para piorar a situação, o diferencial de tensão gerado pelo eletrodo de medição é muito pequeno, na faixa dos milivolts (idealmente 59,16 milivolts por unidade de pH em temperatura ambiente). O medidor usado para esta tarefa deve ser muito sensível e ter uma resistência de entrada extremamente alta.

A solução mais comum para este problema de medição é usar um medidor amplificado com uma resistência interna extremamente alta para medir a tensão do eletrodo, de modo a puxar o mínimo possível de corrente através do circuito. Com componentes de semicondutores modernos, um voltímetro com resistência de entrada de até 10 ¹⁷ Ω pode ser construído com pouca dificuldade. Outra abordagem, raramente vista no uso contemporâneo, é usar uma configuração de medição de tensão potenciométrica de "equilíbrio nulo" para medir esta tensão sem extrair qualquer corrente do circuito em teste. Se um técnico desejasse verificar a saída de tensão entre um par de eletrodos de pH, este seria provavelmente o meio mais prático de fazer isso usando apenas equipamento de medição de bancada padrão:



Como de costume, a alimentação de tensão de precisão seria ajustada pelo técnico até que o detector de nulo registrasse zero, então o voltímetro conectado em paralelo com a alimentação seria visualizado para obter uma leitura de tensão. Com o detector “anulado” (registrando exatamente zero), deve haver corrente zero no circuito do eletrodo de pH e, portanto, nenhuma tensão caiu nas resistências de nenhum dos eletrodos, fornecendo a tensão real do eletrodo nos terminais do voltímetro.

Os requisitos de fiação para eletrodos de pH tendem a ser ainda mais severos do que a fiação de termopar, exigindo conexões muito limpas e distâncias curtas de fio (10 jardas ou menos, mesmo com contatos banhados a ouro e cabo blindado) para medições precisas e confiáveis. Como ocorre com os termopares, no entanto, as desvantagens da medição do pH do eletrodo são compensadas pelas vantagens:boa precisão e relativa simplicidade técnica.

Poucas tecnologias de instrumentação inspiram o espanto e a mística comandada pela medição de pH, porque ela é tão mal compreendida e difícil de solucionar. Sem entrar em detalhes sobre a química exata da medição de pH, algumas palavras de sabedoria podem ser dadas aqui sobre os sistemas de medição de pH:

• Todos os eletrodos de pH têm vida útil finita, e essa vida depende muito do tipo e da gravidade do serviço. Em algumas aplicações, a vida útil do eletrodo de pH de um mês pode ser considerada longa e, em outras aplicações, o (s) mesmo (s) eletrodo (s) podem durar mais de um ano.
• Como o eletrodo de vidro (medição) é responsável por gerar a tensão proporcional ao pH, ele deve ser considerado suspeito se o sistema de medição falhar em gerar mudança de tensão suficiente para uma dada mudança de pH (aproximadamente 59 milivolts por pH unidade), ou não responde com rapidez suficiente a uma mudança rápida no pH do líquido de teste.
• Se um sistema de medição de pH "deriva", criando erros de deslocamento, o problema provavelmente está no eletrodo de referência, que deve fornecer uma conexão de tensão zero com a solução medida.
• Como a medição de pH é uma representação logarítmica da concentração de íons, há uma incrível gama de condições de processo representadas na escala de pH aparentemente simples de 0-14. Além disso, devido à natureza não linear da escala logarítmica, uma alteração de 1 pH na extremidade superior (digamos, de 12 para 13 pH) não representa a mesma quantidade de alteração da atividade química como uma alteração de 1 pH na extremidade inferior (digamos, de 2 a 3 pH). Os engenheiros e técnicos do sistema de controle devem estar cientes dessa dinâmica se houver alguma esperança de controlar pH do processo em um valor estável.
• As seguintes condições são perigosas para eletrodos de medição (vidro):altas temperaturas, níveis extremos de pH (ácido ou alcalino), alta concentração iônica no líquido, abrasão, ácido fluorídrico no líquido (o ácido HF dissolve o vidro!), e qualquer tipo de revestimento de material na superfície do vidro.
• Mudanças de temperatura no líquido medido afetam a resposta do eletrodo de medição a um determinado nível de pH (idealmente a 59 mV por unidade de pH) e o pH real do líquido. Dispositivos de medição de temperatura podem ser inseridos no líquido e os sinais desses dispositivos usados ​​para compensar o efeito da temperatura na medição de pH, mas isso só compensará a resposta de mV / pH do eletrodo de medição, não a mudança real de pH do processo líquido!

Avanços ainda estão sendo feitos no campo da medição de pH, alguns dos quais são uma grande promessa para superar as limitações tradicionais dos eletrodos de pH. Uma dessas tecnologias usa um dispositivo chamado transistor de efeito de campo para medir eletrostaticamente a voltagem produzida por uma membrana permeável a íons, em vez de medir a voltagem com um circuito voltímetro real. Embora essa tecnologia tenha limitações próprias, é pelo menos um conceito pioneiro e pode se provar mais prático no futuro.

REVER:

• pH é uma representação da atividade do íon hidrogênio em um líquido. É o logaritmo negativo do número de íons de hidrogênio (em moles) por litro de líquido. Assim:10 ^-11 moles de íons de hidrogênio em 1 litro de líquido =11 pH. 10 ^-5,3 moles de íons de hidrogênio em 1 litro de líquido =5,3 pH.
• A escala básica de pH vai de 0 (ácido forte) a 7 (neutro, água pura) a 14 (cáustico forte). Soluções químicas com níveis de pH abaixo de zero e acima de 14 são possíveis, mas raras.
• O pH pode ser medido medindo a voltagem produzida entre dois eletrodos especiais imersos na solução líquida.
• Um eletrodo, feito de um vidro especial, é chamado de medição eletrodo. É um trabalho gerar uma pequena tensão proporcional ao pH (idealmente 59,16 mV por unidade de pH).
• O outro eletrodo (chamado de referência eletrodo) usa uma junção porosa entre o líquido medido e uma solução tampão de pH neutro e estável (geralmente cloreto de potássio) para criar uma conexão elétrica de voltagem zero com o líquido. Isso fornece um ponto de continuidade para um circuito completo, de modo que a voltagem produzida através da espessura do vidro no eletrodo de medição pode ser medida por um voltímetro externo.
• A resistência extremamente alta da membrana de vidro do eletrodo de medição exige o uso de um voltímetro com resistência interna extremamente alta, ou um voltímetro de equilíbrio nulo, para medir a tensão.