Una medida muy importante en muchos procesos químicos líquidos (industriales, farmacéuticos, manufactura, producción de alimentos, etc.) es el pH: la medición de la concentración de iones de hidrógeno en una solución líquida. Una solución con un valor de pH bajo se llama “ácido”, mientras que una con un pH alto se llama “cáustica”. La escala de pH común se extiende desde 0 (ácido fuerte) a 14 (cáustico fuerte), con 7 en el medio que representa agua pura (neutral):
El pH se define de la siguiente manera: la letra minúscula “p” en pH representa el logaritmo común negativo (base diez), mientras que la letra mayúscula “H” representa el elemento hidrógeno. Por lo tanto, el pH es una medida logarítmica del número de moles de iones de hidrógeno (H +) por litro de solución. Por cierto, el prefijo “p” también se usa con otros tipos de mediciones químicas donde se desea una escala logarítmica, pCO2 (dióxido de carbono) y pO2 (oxígeno) son dos ejemplos de este tipo.
La escala de pH logarítmico funciona así: una solución con 10 -12 moles de iones H + por litro tiene un pH de 12; una solución con 10 -3 moles de iones H + por litro tiene un pH de 3. Aunque es poco común, existe un ácido con una medición de pH por debajo de 0 y un cáustico con un pH por encima de 14 Es comprensible que tales soluciones estén bastante concentradas y extremadamente reactivas.
Electrodos de pH
Si bien el pH se puede medir mediante cambios de color en ciertos polvos químicos (la “tira de tornasol” es un ejemplo familiar de las clases de química de la escuela secundaria), el monitoreo y control continuo del proceso del pH requiere un enfoque más sofisticado. El enfoque más común es el uso de un electrodo especialmente preparado diseñado para permitir que los iones de hidrógeno en la solución migren a través de una barrera selectiva, produciendo una diferencia de potencial (voltaje) medible proporcional al pH de la solución:
El diseño y la teoría operativa de los electrodos de pH es un tema muy complejo, explorado solo brevemente aquí. Lo importante es entender que estos dos electrodos generan un voltaje directamente proporcional al pH de la solución. A un pH de 7 (neutro), los electrodos producirán 0 voltios entre ellos. A un pH bajo (ácido) se desarrollará un voltaje de una polaridad, y a un pH alto (cáustico) se desarrollará un voltaje de la polaridad opuesta.
Electrodo de medición
Una desafortunada restricción de diseño de los electrodos de pH es que uno de ellos (llamado electrodo de medición ) debe estar construido de vidrio especial para crear la barrera selectiva de iones necesaria para filtrar los iones de hidrógeno de todos los demás iones flotando en la solución. Este vidrio está químicamente dopado con iones de litio, que es lo que lo hace reaccionar electroquímicamente a los iones de hidrógeno. Por supuesto, el vidrio no es exactamente lo que llamarías un ” conductor ;” más bien, es un aislante extremadamente bueno. Esto presenta un problema importante si nuestra intención es medir el voltaje entre los dos electrodos. La ruta del circuito desde un contacto de electrodo, a través de la barrera de vidrio, a través de la solución, hasta el otro electrodo, y de regreso a través del contacto del otro electrodo, es una de extremadamente de alta resistencia.
Electrodo de referencia
El otro electrodo (llamado electrodo referencia ) está hecho de una solución química de solución neutral (7) de pH (generalmente cloruro de potasio) a la que se le permite intercambiar iones con la solución del proceso a través de un separador poroso, formando una conexión de resistencia relativamente baja al líquido de prueba. Al principio, uno podría inclinarse a preguntar: ¿por qué no simplemente sumergir un cable de metal en la solución para obtener una conexión eléctrica al líquido? La razón por la que esto no funcionará es que los metales tienden a ser altamente reactivos en soluciones iónicas y pueden producir un voltaje significativo a través de la interfaz de contacto metal-líquido. El uso de una interfaz química húmeda con la solución medida es necesaria para evitar crear tal voltaje, que por supuesto cualquier dispositivo de medición interpretaría falsamente como indicativo de pH.
Aquí hay una ilustración de la construcción del electrodo de medición. Observe la delgada membrana de vidrio dopado con litio a través de la cual se genera el voltaje de pH:
Aquí hay una ilustración de la construcción del electrodo de referencia. La unión porosa que se muestra en la parte inferior del electrodo es donde el tampón de cloruro de potasio y el líquido de proceso interactúan entre sí:
El propósito del electrodo de medición es generar el voltaje utilizado para medir el pH de la solución. Este voltaje aparece a través del grosor del vidrio, colocando el cable plateado en un lado del voltaje y la solución líquida en el otro. El propósito del electrodo de referencia es proporcionar una conexión estable de voltaje cero a la solución líquida para que se pueda hacer un circuito completo para medir el voltaje del electrodo de vidrio. Si bien la conexión del electrodo de referencia al líquido de prueba puede ser solo de unos pocos kiloohmios, la resistencia del electrodo de vidrio puede variar de diez a novecientos megaohmios, ¡según el diseño del electrodo! Dado que cualquier corriente en este circuito debe viajar a través de las resistencias de ambos electrodos (y la resistencia presentada por el líquido de prueba en sí), estas resistencias están en serie entre sí y, por lo tanto, se suman para hacer un total aún mayor.
Un voltímetro analógico o incluso digital tiene una resistencia interna demasiado baja para medir el voltaje en un circuito de tan alta resistencia. El diagrama de circuito equivalente de un circuito de sonda de pH típico ilustra el problema:
Incluso una corriente de circuito muy pequeña que viaja a través de la alta resistencia de cada componente en el circuito (especialmente la membrana de vidrio del electrodo de medición), producirá caídas de voltaje relativamente sustanciales a través de esas resistencias, reduciendo seriamente el voltaje visto por el medidor. Lo peor es el hecho de que el diferencial de voltaje generado por el electrodo de medición es muy pequeño, en el rango de milivoltios (idealmente 59.16 milivoltios por unidad de pH a temperatura ambiente). El medidor utilizado para esta tarea debe ser muy sensible y tener una resistencia de entrada extremadamente alta.
La solución más común para este problema de medición es usar un medidor amplificado con una resistencia interna extremadamente alta para medir el voltaje del electrodo, a fin de extraer la menor corriente posible a través del circuito. Con los componentes modernos de semiconductores , se puede construir un voltímetro con una resistencia de entrada de hasta 1017 Ω con poca dificultad. Otro enfoque, rara vez visto en el uso contemporáneo, es utilizar una configuración de medición de voltaje potenciométrica de “equilibrio nulo” para medir este voltaje sin extraer ninguna corriente del circuito bajo prueba. Si un técnico desea verificar la salida de voltaje entre un par de electrodos de pH, este sería probablemente el medio más práctico para hacerlo utilizando solo un equipo de medición estándar de sobremesa:
Como de costumbre, el técnico ajustaría el suministro de voltaje de precisión hasta que el detector nulo registrara cero, luego el voltímetro conectado en paralelo con el suministro se vería para obtener una lectura de voltaje. Con el detector “anulado” (registrando exactamente cero), debe haber corriente cero en el circuito del electrodo de pH y, por lo tanto, no se cae voltaje a través de las resistencias de ninguno de los electrodos, dando el voltaje real del electrodo en los terminales del voltímetro.
Los requisitos de cableado para electrodos de pH tienden a ser aún más severos que el cableado de termopar, y requieren conexiones muy limpias y distancias cortas de cable (10 yardas o menos, incluso con contactos chapados en oro y cable blindado) para una medición precisa y confiable. Sin embargo, al igual que con los termopares , las desventajas de la medición del pH del electrodo se ven compensadas por las ventajas: buena precisión y relativa simplicidad técnica.
Pocas tecnologías de instrumentación inspiran el asombro y la mística comandados por la medición del pH, porque es tan ampliamente incomprendido y difícil de solucionar. Sin dar más detalles sobre la química exacta de la medición del pH, aquí se pueden dar algunas palabras de sabiduría sobre los sistemas de medición del pH:
- Todos los electrodos de pH tienen una vida finita, y esa vida útil depende en gran medida del tipo y la gravedad del servicio. En algunas aplicaciones, una vida útil del electrodo de pH de un mes puede considerarse larga, y en otras aplicaciones, se puede esperar que los mismos electrodos duren más de un año.
- Debido a que el electrodo de vidrio (medición) es responsable de generar el voltaje proporcional al pH, es el que se considerará sospechoso si el sistema de medición no genera suficiente cambio de voltaje para un cambio dado en el pH (aproximadamente 59 milivoltios por pH unidad), o no responde lo suficientemente rápido a un cambio rápido en el pH del líquido de prueba.
- Si un sistema de medición de pH “se desvía”, creando errores de compensación, el problema probablemente radica en el electrodo de referencia, que se supone que proporciona una conexión de voltaje cero con la solución medida.
- Debido a que la medición del pH es una representación logarítmica de la concentración de iones, existe una increíble variedad de condiciones de proceso representadas en la escala de pH aparentemente simple de 0-14. Además, debido a la naturaleza no lineal de la escala logarítmica, un cambio de 1 pH en el extremo superior (digamos, de 12 a 13 pH) no representa la misma cantidad de cambio de actividad química que un cambio de 1 pH en el extremo inferior (digamos, de 2 a 3 pH). Los ingenieros y técnicos del sistema de control deben ser conscientes de esta dinámica si hay alguna esperanza de que controle el pH del proceso a un valor estable.
- Las siguientes condiciones son peligrosas para los electrodos de medición (vidrio): altas temperaturas, niveles de pH extremos (ácidos o alcalinos), alta concentración iónica en el líquido, abrasión, ácido fluorhídrico en el líquido (¡el ácido HF disuelve el vidrio!), y cualquier tipo de material de recubrimiento en la superficie del vidrio.
- Los cambios de temperatura en el líquido medido afectan tanto la respuesta del electrodo de medición a un nivel de pH dado (idealmente a 59 mV por unidad de pH) como el pH real del líquido. Los dispositivos de medición de temperatura se pueden insertar en el líquido, y las señales de esos dispositivos se usan para compensar el efecto de la temperatura en la medición de pH, pero esto solo compensará la respuesta mV / pH del electrodo de medición, no el cambio real de pH del proceso ¡líquido!
Todavía se están haciendo avances en el campo de la medición del pH, algunos de los cuales son muy prometedores para superar las limitaciones tradicionales de los electrodos de pH. Una de esas tecnologías utiliza un dispositivo llamado transistor de efecto de campo para medir electrostáticamente el voltaje producido por una membrana permeable a iones en lugar de medir el voltaje con un circuito de voltímetro real. Si bien esta tecnología alberga limitaciones propias, es al menos un concepto pionero y puede resultar más práctico en una fecha posterior.
REVISIÓN:
- El pH es una representación de la actividad de iones de hidrógeno en un líquido. Es el logaritmo negativo de la cantidad de iones de hidrógeno (en moles) por litro de líquido. Así: 10 -11 moles de iones de hidrógeno en 1 litro de líquido = 11 pH. 10 -5.3 moles de iones de hidrógeno en 1 litro de líquido = 5.3 pH.
- La escala básica de pH se extiende de 0 (ácido fuerte) a 7 (agua neutra y pura) a 14 (cáustico fuerte). Las soluciones químicas con niveles de pH inferiores a cero y superiores a 14 son posibles pero poco frecuentes.
- El pH se puede medir midiendo el voltaje producido entre dos electrodos especiales sumergidos en la solución líquida.
- Un electrodo, hecho de un vidrio especial, se llama electrodo de medición . Es un trabajo generar un pequeño voltaje proporcional al pH (idealmente 59.16 mV por unidad de pH).
- El otro electrodo (llamado electrodo referencia ) usa una unión porosa entre el líquido medido y una solución tampón de pH estable y neutral (generalmente cloruro de potasio) para crear una conexión eléctrica de voltaje cero al líquido . Esto proporciona un punto de continuidad para un circuito completo, de modo que el voltaje producido a través del grosor del vidrio en el electrodo de medición puede medirse mediante un voltímetro externo.
- La resistencia extremadamente alta de la membrana de vidrio del electrodo de medición exige el uso de un voltímetro con resistencia interna extremadamente alta, o un voltímetro de equilibrio nulo, para medir el voltaje.