Un pH metro o medidor de pH es un instrumento utilizado para medir la acidez o la alcalinidad de una solución, también conocida como pH.

¿Por qué el control del pH es un problema?

Los electrodos de pH han sido aplicados y estudiados por décadas. El problema es la sensibilidad; dado que el pH es una función logarítmica, un cambio en una unidad de pH implica un cambio de 10 veces en la concentración de iones de hidrógeno.

¿Qué significa pH?

El término pH es la conjunción de “p”, un símbolo matemático que significa un logaritmo negativo en base 10, y “H”, el símbolo químico del Hidrógeno.
pH es una unidad de medida que mide en una escala logarítmica, la concentración de iones Hidrógeno, para así representar el grado de acidez o alcalinidad de una solución. Típicamente se mide en una escala de 0 a 14

pH = -log[H+]

¿Qué mide el pH?

El pH de una sustancia está directamente relacionada con el ratio entre las concentraciones de ión de Hidrógeno [H+] e ión Hidroxilo [OH-]
La información cuantitativa que entrega un pH metro expresa el grado de actividad de un ácido o una base en términos de la actividad de los iones de Hidrógeno

  • Si la concentración de H+ es superior a la concentración de OH-, o equivalentemente la lectura de pH es superior a 7, el material es ácido
  • Si la concentración de H+ es inferior a la concentración de OH-, o equivalentemente la lectura de pH es inferior a 7, el material es básico
  • Si la cantidad de iones H+ y OH- están igualmente presentes, el material es neutro, con un pH de 7

Los ácidos y las bases tienen iones de Hidrógeno e Hidroxilo libres. La relación entre ambos iones en una solución dada es una constante dadas ciertas condiciones, por lo que cada una de las concentraciones puede ser determinada conociendo la otra.

¿Cómo medir el pH?

Una estimación aproximada del pH puede obtenerse utilizando papeles o indicadores, que cambian de color a medida que el nivel de pH varía. Estos indicadores tienen limitaciones en su precisión, y pueden ser difíciles de interpretar en forma correcta cuando las muestras tienen color también. Con un pH metro digital, pueden obtenerse mediciones más precisas. Un medidor de pH consiste de tres partes: una sonda de pH, un electrodo de pH de referencia y un medidor de entrada de alta impedancia.

El electrodo de pH puede ser entendido como una batería, con un voltaje que varía con el pH medido en la solución.
La sonda de pH es una bombilla de vidrio sensible al hidrógeno, con un output en milivolts que varía de acuerdo a los cambios en la concentración relativa de iones Hidrógeno dentro y fuera de la bombilla.
El electrodo de referencia no varía con la actividad de iones hidrógeno de la solución.

El electrodo de pH tiene una resistencia interna alta, que hace que el cambio de voltaje en función del pH sea difícil de medir, por lo que la impedancia de entrada del pH metro y la resistencia juegan un rol clave en la medición.

El pH metro es básicamente un amplificador de alta impedancia que mide en forma precisa las pequeñas variaciones de voltaje del electrodo, y despliega los resultados directamente en unidades de pH en un display análogo o digital.

En algunos casos, los voltajes también pueden ser detectados por aplicaciones externas o bien pueden ser utilizados con electrodos de ión selectivo o de Potencial de Oxidación-Reducción (ORP)

Electrodo de pH

Los electrodos de pH están construidos por una composición especial de vidrio, que detecta la concentración de ión Hidrógeno. Este vidrio está usualmente compuesto de iones de metales alcalinos. Los iones del electrodo y los iones hidrógeno experimentan una reacción de intercambio iónico, generando una diferencia de potencial.

La combinación utilizada en forma más común es utilizando dos electrodos en un mismo cuerpo de medición; una parte es el electrodo de pH que mide, y la otra parte, el electrodo de referencia. El potencial generado en el punto donde se intersecta la parte de referencia se produce gracias a los iones Hidrógeno presentes en la solución.

El potencial de la parte de referencia se produce cuando un elemento interno entra en contacto con la solución de relleno presente en la parte de referencia. Este potencial siempre es constante. En resumen, el electrodo de pH de medición genera un voltaje variable y el electrodo de referencia entrega un voltaje constante.

La señal de voltaje producida por la sonda es una señal muy pequeña, de alta impedancia. por lo que necesita entonces equipamiento con circuitos de alta impedancia.

¿Qué precauciones se deben tener con los electrodos de pH?

  • Están disponibles en una amplia gama, tanto para aplicaciones de laboratorio como para aplicaciones industriales. Como están compuestos de vidrio, están siempre expuestos a rotura.
  • Están diseñados generalmente para mediciones en medio acuoso; no están diseñados para ser utilizados en solventes, como CCI4, que no tienen iones Hidrógeno libres.
  • Debido a la naturaleza de su fabricación, necesitan mantener humedad todo el tiempo. Para funcionar correctamente necesitan mantenerse hidratados, para así asegurar que el proceso de intercambio de iones ocurra. Si un sensor de pH se seca, lo ideal es ubicarlo en agua (de la llave) por 30 minutos para acondicionar el vidrio
  • Los electrodos de pH Tienen uniones, que permiten que la solución interna del electrodo de medición interaccione con la solución a medir. Esta unión puede obstruirse por partículas en la solucion y puede eventualmente generar envenenamiento debido a los iones metálicos presentes en la solución. Si se sospecha de una unión obstruida, lo mejor es remojar el sensor en un poco de agua tibia (de la llave) para disolver el material y limpiar la unión.
  • Mientras no están en uso, lo ideal es almacenarlos en soluciones buffer 4.0 o 7.0.

¿Cuánto dura un electrodo de pH?

Los electrodos de pH son frágiles y tienen un tiempo de vida limitado. Su duración depende de la aplicación en la que se use y el mantenimiento de la sonda.

Incluso sin uso y almacenados en las condiciones adecuadas, los electrodos se vencen en aproximadamente un año.

Electrodos vencidos generalmente se caracterizan por una respuesta lenta, lecturas erráticas, o simplemente sin lectura. Cuando esto ocurre, el electrodo ya no puede ser calibrado.

Cuanto más severo el sistema, menor será la duración del electrodo. Por esta razón siempre se recomienda tener un sensor de pH de respaldo a mano, para asegurar la continuidad del sistema.

Calibración de un electrodo de pH

La calibración es parte importante del mantenimiento e un electrodo. Este proceso asegura que el electrodo funcione correctamente y además que el sistema está operando en forma correcta.

Los electrodos de pH son como baterías; se agotan con el tiempo y el uso. A medida que pasa el tiempo, el vidrio del electrodo cambia su resistencia, lo que afecta el potencial del electrodo, por lo que requieren ser calibrados de forma periódica.

La calibración de cualquier instrumento de medición de pH debe siempre comenzar con una solución 7.0 como el punto cero. La escala de pH tiene una equivalencia con la escala de mV, cuyo rango va desde los +420 a los -420 mV. A pH 7.0, el mV es cero. Cada punto de variación del pH corresponde a ±60 mV. A menor valor de pH (más ácido), mayor valor de mV y viceversa.

Por ejemplo, un pH igual a 4.0 corresponde a un valor de +180 mV y un pH igual a 9.0 corresponde a un valor de -120 mV. La calibración dual, que consiste en utilizar dos soluciones, como por ejemplo 4.0 y 10.0, entrega una precisión mejor aún.

Algunos pH metros requieren instrucciones particulares, por lo que siempre se recomienda recurrir a su manual, pero en general, un método de calibración es el siguiente:

  • La temperatura se debe fijar al mismo valor de la temperatura de los buffer utilizados, o bien se debe utilizar un compensador de temperatura, caso en el cual se debe cambiar el modo del pH metro a “ATC” (Compensador Automático de Temperatura)
  • Disponer un electrodo limpio en una habitación fresca a temperatura ambiente, en un buffer con pH 7.00
  • Ajustar el pH de la lectura exactamente en 7.00.
  • Lavar el electrodo con agua destilada o deionizada.
  • (opcional, recomendado) repetir el procedimiento con buffer de pH 4.0 y/o 10.0, y calibrar en el modo multi punto o modo SLOPE del instrumento.

¿Qué son las soluciones buffer?

Las soluciones buffer tienen valores constantes de pH y además la capacidad de resistir a cambios en el nivel de pH y son utilizadas para calibrar sistemas de medición de pH. Pueden presentarse pequeñas diferencias entre el output de un electrodo u otro, así como cambios en un electrodo a lo largo del tiempo, por lo que estos instrumentos deben ser calibrados en forma periódica.

Las soluciones buffer están disponibles en el mercado en un amplio rango de valores de pH, y están presentes tanto en forma líquida como en cápsulas de polvo seco. La mayoría de los medidores de pH requieren calibración para varios valores de pH, para lo cual estas soluciones son clave.

Efecto de la temperatura en el pH

  • Para temperaturas sobre 25°C, la compensación de temperatura disminuye el pH alto e incrementa el pH bajo, resultando en valores más cercanos al neutro.
  • Para temperaturas bajo 25°C, la compensación de temperatura aumenta el pH alto y disminuye el pH bajo, resultando en valores más alejados del neutro.

Dependiendo de la precisión requerida en la medición de pH, la compensación de temperatura puede o no ser una necesidad. Por ejemplo, si la necesidad de precisión es de ±0.1 pH, con una lectura de pH de 6 y una temperatura de 45°C , el error es 0.06, totalmente dentro de la necesidad de precisión. En cambio bajo la misma necesidad de precisión de ±0.1, una lectura de pH de 10 a 55°C, dará un error de 0.27, que si requiere compensación de temperatura.

Compensación de temperatura

En el caso de requerir compensación de temperatura, puede realizarse de dos maneras; automática o manual. Cuando la temperatura fluctúa, se requiere de compensación automática de temperatura, en cambio cuando la temperatura es constante, es posible una compensación manual de temperatura. En el caso de utilizar Compensadores Automáticos de Temperatura (ATC), la señal de una sonda aparte de temperatura es enviada al sensor de pH, de manera de que este puede determinar en forma precisa el valor de la temperatura al mismo tiempo del valor del pH. Los Compensadores Automáticos de Temperatura (ATC) deben ser siempre utilizados en la misma ubicación que el electrodo de pH.

Cuando los electrodos de pH son calibrados en buffer, el compensador de temperatura también debe estar en el buffer. Asimismo, en caso de realizar compensación manual, el ajuste debe estar presente durante la calibración (y también durante la operación del instrumento).

Dificultades de medición del pH en distintas aplicaciones

Cada aplicación puede originar sus propias dificultades al medir el pH. La siguiente lista ilustar algunas de las dificultades que pueden surgir al medir el pH y cómo abordarlas.

  1. La instrumentación propiamente tal es frecuentemente la fuente de las alteraciones de los sistemas de pH, producto del error de repetibilidad, ruido en la medición o histiéresis de la válvula.
  2. Los loops en línea de pH oscilan, independiente del modo de control, si los conjuntos de datos están en pendientes muy agudas de las curvas de titulación.
  3. En caso de que los sistemas de inmersión de los electrodos de pH tengan terminales no-encapsulados, pueden presentar terminaciones húmedas bajo la superficie del líquido.
  4. Las válvulas de control de reactivos que no estén adecuadamente acopladas al punto de inyección de los sistemas en línea, pueden provocar retrasos en la entrega de reactivos lo suficientemente significativas para afectar la medición. Para detectar este tipo de errores se necesita un medidor o display de flujo de reactivos.
  5. Las señales de avance de flujo deben ser mutiplicadas por el output del controlador de pH, y utilizadas para controlar el flujo de las válvulas.
  6. Idealmente se deben preferir electrodos de inyección, para reducir los problemas de mantención y mejorar los tiempos de respuesta.
  7. En caso de recipientes grandes, mida el volumen aguas arriba para reducir el consumo de reactivos, y aguas abajo para reducir el error de control.
  8. Se recomienda instalar uno o tres electrodos para lecturas de pH, nunca dos.

Rango y sensibilidad

Una dificultad básica, ampliamente documentada, es que la escala de pH corresponde a la concentración de iones Hidrógeno, desde 100 a 10^14 moles por litro. Ninguna otra medición abarca un rango tan grande.

Otra dificultad intrínseca es que los sensores de pH son extremadamente sensibles. Pueden detectar cambios de concentración de iones tan pequeñas como 5×10^-10 moles por litro a 7 pH. Ningún otro instrumento de medición tiene una sensibilidad tan alta.

Las limitaciones de rango y de sensibilidad pueden ser abordadas gradualmente en etapas, usando válvulas de control sucesivamente pequeñas y posicionadores de mayor desempeño.

Cromtek tiene especialistas en el área de la electroquímica y una amplia gama de pH-metros. No dude en contactarnos ante cualquier inquietud.

1. Medidores de pH tipo sobremesa

2. Medidor de pH tipo de Tableta

3. Medidor de pH tipo portátil

4. Medidor de pH tipo pluma