THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT MÔI TRƯỜNG NGÀNH NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Ngày 30 tháng 10 năm 2009

Một số vấn đề liên quan đến điện cực đo pH

Bài viết này cung cấp thông tin về chức năng của điện cực, cách hoạt động và làm thế nào để chọn lựa đúng loại điện cực phù hợp với nồng độ của mẫu cần xác định pH. Ngoài ra bài viết này còn mô tả các vấn đế quan tâm đặc biệt và các ảnh hưởng lên phép đo khi pH lớn hơn 12.

Danh pháp pH
Nước và các dung dịch lỏng gồm có các hạt điện tích gọi là các ion và các hạt không mang điện tích gọi là phân tử. Một số ion mang điện tích dương và còn lại mang điện tích âm. Trong mỗi trường hợp, số lượng của các điện tích là cân bằng để không có sự trao đổi điện tích xảy ra. Trong nước tinh khiết, một số phân tử nước- gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy-phân ly thành các ion:
H20 ↔ H+ + OH-

Các ion âm hydro thông thường có nồng độ khác nhau từ 1.0 đến 0.00000000000001 mole trên lít. Con số như thế gây khó khăn khi thể hiện chúng. Do đó, các nhà khoa học tìm cách dễ dàng hơn để biểu diễn giá trị nồng độ ion hydro. Có một số phương pháp đã được thử nhưng phương pháp được cộng đồng quốc tế chấp nhận là thang pH. Để chuyển một nồng độ ion hydro sang giá trị pH, nồng độ (mol/lit) được mô tả theo thang đo hệ số 10. Ví dụ như là:
0.000001 moles/liter = 10-6 moles/liter

Như vậy, phép lũy thừa cơ số 10 với số mũ âm trở thành giá trị pH. Ví dụ, nồng độ ion H+ (ion hydro) ở ví dụ trên sẽ tương đương 6 pH. Cần nhớ là thay đổi nồng độ ion hydro 10 lần sẽ tương ứng với thay đổi 1 đơn vị pH. Thang pH giúp diễn tả nồng độ ion hydro ở nhiều độ lớn một cách thuận tiện hơn. Thông thường, thang pH thay đổi từ 0 đến 14 mặc dù có khả năng có giá trị pH nhỏ hơn 0 (giá trị âm) hay lớn hơn 14. Một số giá trị pH của một số dung dịch phổ biến được nêu trong bảng 1.

Bảng 1: Giá trị pH của một số dung dịch



Nước tinh khiết có pH là 7 được xem là trung tính. Khi một dung dịch có giá trị pH thấp hơn 7.0, dung dịch đó có nồng độ ion hydro cao hơn của nước và được cho là dung dịch axit. Ngược lại, một dung dịch có pH cao hơn 7.0 có nồng độ ion hydro thấp hơn nước và được coi là một dung dịch baz.
Điện cực pH
Một điện cực pH được cấu tạo bởi hai loại thủy tinh. Thân điện cực được làm bằng loại thủy tinh không dẫn điện, đầu điện cực thường có dạng hình bầu và cấu tạo bởi loại thủy tinh có công thức gồm các oxit silica, lithium, canxi và các nguyên tố khác cho phép ion lithium xuyên qua. Cấu trúc của điện cực thủy tinh cho phép ion lithium trao đổi với các ion hydro trong chất lỏng tạo thành lớp thủy hợp. Một điện thế cỡ mV được sinh ra giữa tiết diện của đầu thủy tinh pH với dung dịch lỏng bên ngoài. Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Độ khác nhau của điện thế tạo ra bởi lớp bên ngoài và lớp thủy hợp bên trong điện cực có thể đo bằng điện cực bạc/bạc cloride (xem hình 1).

Hình 1: Cấu tạo của điện cực pH thủy tinh


Hình 2: Kích thước tương đối của các ion

Bởi vì dung dịch bên trong điện cực thủy tinh được đệm nên giá trị pH của nó không thay đổi, cho nên điện thế thay đổi chỉ do giá trị pH của dung dịch bên ngoài gây ra và có thể đo được.

Công thức Nernst
Điện thế mV xuyên qua điện cực thay đổi theo thang loragit tùy theo nồng độ ion hydro. (Bởi vì ion hydro chịu ảnh hưởng của môi trường cho nên thuật ngữ chính xác dùng cho mối quan hệ này phải gọi là hoạt độ của ion hydro. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng, cụm từ nồng độ và hoạt độ có thể được thay thế cho nhau. Bài viết này chủ yếu sử dụng “nồng độ”)

Công thức để xác định nồng độ ion hydro là công thức Nernst:
E = E0 + 0.059 log [H+] hay E = E0 - 0.059 pH
Trong đó:
E = Điện thế (volts)
E0 = Điện thế chuẩn (volts)
[H+] = Nồng độ ion hydro
Giá trị “0.059” là hằng số Nernst, thay đổi theo nhiệt độ. Ở 25°C hằng số Nernst là 0.059 và ở 80°C là 0.070.

Đo mẫu có pH cao
Mặc dù điện cực thủy tinh phản ứng nhạy với ion H+ ,nhưng vẫn chịu ảnh hưởng nhỏ bởi các ion tương tự Li, natri (Na+) và kali (K+) như mô tả trong hình 2. Số lượng chất cản trở giảm khi kích thước ion tăng. Bởi vì ion lithium thường không có trong dung dịch mẫu và ion kali gây ra sự nhiễu rất nhỏ nên sự cản trở chủ yếu là do ion natri. Sự cản trở bởi ion natri chỉ xảy ra khi nồng độ ion hydro rất thấp (10-12 hay thấp hơn). Ở 12 pH và cao hơn, nồng độ ion natri ở mức 10-2 là do sự bổ sung của natri hydroxit. Do đó, ion natri sẽ gây nhiễu khi nồng độ ion natri vượt quá nồng ion hydro 10 mũ 10 lần.
Tùy thuộc vào công thức chiết xuất thủy tinh mà sự cản trở do ion natri có thể làm giá trị pH cao hay thấp. Hình 3 mô tả hiện tượng sai số do ion natri gây ra. So sánh giá trị đo với điện cực thủy tinh truyền thống và điện cực hydro chuẩn không bị ảnh hưởng bởi ion natri.

Hình 3: Sai số ion natri

Các vấn đề cần quan tâm khi chọn điện cực đo pH cao
Hiện tại không có loại thủy tinh nào cho sai số ion natri là zero. Bởi vì luôn có sai số cho nên vấn đề quan trọng là làm sao để sai số không thay đổi và có thể lặp lại. Với công thức cấu tạo thủy tinh nhiều lớp, điều này là không thể, vì các điện cực sẽ nhạy với môi trường như đã là mối ưu tiên đối với dung dịch có pH cao. Ví dụ như tại điểm sai số bắt đầu do ion natri gây ra pH có thể là 11.5 sau khi nhúng ngập trong nước từ vòi nhưng sẽ là 12.5 sau khi nhúng vào dung dịch kiềm.
Ngoài ra tuổi thọ điện cực và nhiệt độ cũng là mối quan tâm lớn.

Điện cực Hach Differential Technique sử dụng công thức cấu tạo thủy tinh đặc biệt, cũng giống như các điện cực khác, loại trừ sai số natri. Tuy nhiên, loại thủy tinh này giúp sai số natri không thay đổi trong suốt hạn sử dụng điện cực. Điều này thực hiện được bởi sự khắc axit phân tử được kiểm soát của thủy tinh với mục đích đẩy ra xa lớp phân tử cùng lúc. Tính chất đặc biệt này cung cấp một lượng không đổi ion lithium luôn sẵn có để trao đổi với ion hydro sinh ra điện thế chênh lệch ở điều kiện tương tự.

Vấn đề cần quan tâm khác khi đo pH có giá trị cao đó là đo giá trị độ dẫn điện thay vì đo pH để đạt tới nồng độ chất xút.

Lựa chọn điện cực khi mẫu có chứa hydrofluoric acid
Thông thường, các ứng dụng đo pH thường có sự hiện diện của hydrofluoric acid (HF). Hydrofluoric acid
tấn công điện cực thủy tinh và làm mất tác dụng trong thời gian rất ngắn. Nếu điện cực thủy tinh vẫn còn trong dung dịch nó sẽ bị hòa tan dần. Khi giá trị pH của dung dịch thấp hơn 6 và có hydrofluoric acid hiện diện thì cần sử dụng loại điện cực được làm bằng antimony thay vì thủy tinh để tránh các vấn đề trên.

Kết luận
Có rất nhiều ảnh hưởng từ bên ngoài có thể tác động đến hoạt động của hệ thống đo pH. Để chắc chắn việc sử dụng đầu đo pH thích hợp với tính chất mẫu các điều kiện đặc trưng của quy trình cần được xem xét bao gồm:
Thang đo có vượt quá khả năng
Giá trị pH tối thiểu và tối đa của quy trình
Các thành phần của dung dịch quy trình
Ngoài ra cũng rất có ích khi biết được mức độ đo đạc thành công của hệ thống trước đó hoặc các trục trặc mắc phải cũng như các tình huống liên quan bất kì.

Không có nhận xét nào: