TRABAJO PRÁCTICO Electrodo pH y Medidas pH Integrantes: Carossino, Federico Pedreschi, Emmanuel Penillas, Juan Manuel Pittana, Juan Pablo Ramos Cavaco, Jonatan Stefani, Luciano UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FRLP AÑO 2007

Definición de pH El pH es el grado de acidez de una sustancia, es decir la concentración de iones de H + en una solución acuosa, término (del francés pouvoir hydrogène, 'poder del hidrógeno') el pH también se expresa a menudo en términos de concentración de iones hidronio. En 1909 el químico danés Sørensen definió el potencial Hidrógeno (pH) como el logaritmo negativo de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando así el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar utilizando la concentración molar del Ion hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de [H+] = 1 × 10–7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que : pH = –log[10–7] = 7 El agua y todas las soluciones acuosas contiene concentración de H + , y iones de OH - .En el agua pura se cumple que la concentración de iones H + es igual a la concentración de iones OH -, por eso se dice que el agua es neutra.+

El p[OH] El pOH se define como el logaritmo negativo de la actividad de los iones de hidróxido. Esto es, la concentración de iones OH-: pOH = − log10.[OH − ] En soluciones acuosas, los iones OH- de provienen de la disociación del agua: H2O ↔ H+ + OH- o también, 2H2O ↔ H3O+ + OH- Por ejemplo, una concentración de [OH-] = 1×10-7 M (0,0000001 M) es simplemente un pOH de 7 ya que: pOH = -log[10-7] = 7 Al igual que el pH, típicamente tiene un valor entre 0 y 14 en disolución acuosa, siendo alcalinas las disoluciones con pH mayores a 7, y acidas las que tienen pOH menores a 7. Por lo tanto, pH + pOH = 14

Escalas de pH Los ácidos y las bases tienen una característica que nos deja poder medirlos, es la concentración de los iones de hidrógeno. Los ácidos fuertes tienen altas concentraciones de iones de hidrógeno y los ácidos débiles tienen concentraciones bajas. el pH entonces es un valor numérico que expresa la concentración de iones de hidrógeno. Los valores numéricos verdaderos para estas concentraciones de ion de hidrógeno son típicamente una fracción muy pequeña EJ 1/10.000.000. Debido a que éste es un número incómodo con el que trabajar , una escala única fue ideada. La escala creada utiliza el logaritmo negativo de la concentración del ion de hidrógeno (o actividad) para las soluciones ácidas y básicas. Los valores leídos en esta escala se llaman las medidas del "pH" . Los números a partir del 0 al 7 en la escala indican las soluciones ácidas, y 7 a 14 indican soluciones alcalinas. Cuanto más ácida es una sustancia , más cercano su pH estará a 0; cuanto más alcalina es una sustancia, más cercano su pH estará a 14. Algunas soluciones fotográficas no son ni altamente ácidas ni altamente alcalinas sino que están más cercanas al punto neutro , pH=7 que es el pH de la solución del agua de canilla .

Algunos valores comunes del pH Sustancia/Disolución Disolución de HCl 1 M 0,0 Jugo gástrico 1,5 Zumo de limón 2,4 Refresco de cola 2,5 Vinagre 2,9 Zumo de naranja o manzana 3,0 Cerveza 4,5 Café 5,0 Té 5,5 Lluvia ácida < 5,6 Saliva (pacientes con cáncer) 4,5 a 5,7 Orina 5,5-6,5 Leche 6,5 Agua pura 7,0 Saliva humana 6,5 a 7,4 Sangre 7,35 a 7,45 Agua de mar 8,0 Jabón de manos 9,0 a 10,0 Amoníaco 11,5 Hipoclorito de sodio 12,5 Hidróxido sódico 13,5

Medición de pH El método más exacto y comúnmente más usado para medir el pH es usando un medidor de pH ( o pHmetro ) y un par de electrodos. Un medidor de pH es básicamente un voltímetro muy sensible , los electrodos conectados al mismo generarán una corriente eléctrica cuando se sumergen en soluciones. Un medidor de pH tiene electrodos que producen una corriente eléctrica; ésta varia de acuerdo con la concentración de iones hidrógeno en la solución. La principal herramienta para hacer las mediciones de pH es el electrodo de bombilla de vidrio. Tal vidrio tiene una composición especial, sensible a los iones hidrógeno. Un tipo de voltímetro conectado a los electrodos relaciona con el pH la corriente eléctrica producida en la membrana de vidrio. Para cerrar el circuito y brindar una referencia estable y reproducible, se requiere un segundo electrodo. El medidor debe estar calibrado con una solución de pH conocido, llamada "amortiguador" (también solución tampón o buffer ) Los amortiguadores resisten las variaciones de pH y tienen valores de pH específicos a temperaturas determinadas.

También se puede medir de forma aproximada el pH de una disolución empleando indicadores, ácidos o bases débiles que presentan diferente color según el pH, como la Fenolftaleína. Generalmente se emplea papel indicador, que se trata de papel impregnado de una mezcla de indicadores. A pesar de que muchos potenciómetros tienen escalas con valores que van desde 1 hasta 14, los valores de pH pueden ser menores que 1 y mayores que 14. Un pH igual a 7 es neutro, menor que 7 es ácido y mayor que 7 es básico a 25ºC. A distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a la constante de equilibrio del agua (Kw). El pH de disoluciones concentradas de ácidos sí puede ser negativo. Por ejemplo, el pH de una disolución 2,0M de HCl es –0,30.

Medidores de pH para el laboratorio, el acuario o la industria Estos medidores de pH como por ejemplo los Hanna Instruments cubren todo el rango de valores de pH. Se puede encontrar también medidores de pH de mano en formato de bolsillo, medidores de pH portátiles o de mesa. Estos medidores de pH solo se consiguen en el Extremo Oriente, que atraen por su interesante calidad, además de poderse recalibrar. Medidores de pH PCE-PH 22   Medidores de pH Combo   Medidores de pH HI-9024  Medidores de pH HI-9811/12   Medidores de pH PCE-PH20S Medidores de pH HI-99131

Almacenaje de la muestras tomadas Las muestras para determinar pH, deberán ser tomadas en recipientes de polipropileno y asegurándose que estén bien tapadas, se recomienda analizar el pH lo más pronto posible y evitar la exposición al aire, en especial las muestras de aguas alcalinas, ya que el CO2 del aire, tiende a reaccionar con la alcalinidad de la muestra y variar su pH. Este método de prueba se utiliza para la determinación rutinaria del pH en agua, a condiciones controladas de laboratorio . Campo de aplicación

Algunos Principios La determinación del pH en el agua es una medida de la tendencia de su acidez o de su alcalinidad. No mide el valor de la acidez o alcalinidad ( vea el método de determinación de alcalinidad). Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Un pH muy ácido o muy alcalino, puede ser indicio de una contaminación industrial. El valor del pH en el agua, es utilizado también cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante, y  en las plantas de tratamiento de agua. Este método determina el pH , midiendo el potencial generado (en milivolts)  por un electrodo de vidrio que es sensible a la actividad del ión H+ , este potencial es comparado contra un electrodo de referencia, que genera un potencial constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los milivolts generados hacia al circuito de medición.

La cadena electroquímica de este sistema de medición es :                      Hg / Hg2Cl2-Sol Sat KCl // Vidrio/HCl 0.1N/Ag-AgCl En el siguiente esquema se muestran los electrodos utilizados:

Interferencias El electrodo de vidrio es relativamente inmune a las interferencias del color, turbidez, material coloidal, cloro libre, oxidantes y reductores. La medición se afecta cuando la superficie de la membrana de vidrio esta sucia con grasa o material orgánico insoluble en agua, que le impide hacer contacto con la muestra, por lo anterior se recomienda la limpieza escrupulosa de los electrodos. En muestras de un pH mayor a 10 , se presenta el error del sodio, el cual puede ser reducido utilizando electrodos especiales de bajo error de sodio y haciendo las correcciones indicadas en el instructivo del electrodo. La temperatura tiene dos efectos de interferencia, el potencial de los electrodos y la ionización de la muestra varían. El primer efecto puede compensarse haciendo un ajuste en el botón de la " temperatura" que tienen todos los aparatos. El segundo efecto es inherente de la muestra y solo se toma en consideración, anotando la temperatura de la muestra y su pH; para más exactitud, se recomienda que la muestra esté a 25 ° C, que es la temperatura de referencia para la medición del pH.

Aparatos Medidor de pH de laboratorio: La tabla siguiente, muestra las características típicas más importantes de cuatro tipos de aparatos. Cualquier aparato, junto con sus electrodos asociados ( vidrio y referencia ) , pueden ser usados, la elección será de acuerdo a la precisión deseada en la medición.   TIPO I TIPO II TIPO III TIPO IV Escala normal 0 a 14 0 a 14.000 Escala expandida . 2 unidades de pH 1.4 unidades de pH División de la escala 0.1 0.01 0.001 Exactitud +/- 0.05 +/- 0.01 +/- 0.007 +/- 0.002 Repetibilidad +/- 0.02 +/- 0.005 Corrección por Temp Manual o Automática si Intervalo en ° C 0 a 100 División menor ° C 2 Corrección -  pendiente -  si

Reactivos Solución  amortiguadora de pH 4.00 a 25 °  C Disolver 10.12 g de biftalato de potasio ( KHC8H4O4 ) en agua destilada y diluya a un litro. Solución  amortiguadora de pH 6.86 a 25 °  C Disolver 3.39 g de Fosfato monopotásico ( KH2PO4 ) y 3.53 g de Fosfato disódico anhidro ( Na2HPO4) en agua destilada y diluya a un litro. Solución  amortiguadora de pH 9.18 a 25 °  C Disolver 3.80 g de Tetraborato de sodio decahidratado ( Na3B4O7.10H2O ) en agua destilada y diluya a un litro. Estas soluciones deben prepararse con agua destilada y recién hervida durante 15 minutos y enfriada, lo anterior es para eliminar la contaminación del CO2 disuelto en el agua y evitar crecimientos microbianos. Los fosfatos de sodio y potasio y el biftalato de potasio se deben secar a 110 ° C durante 2 horas antes de pesarlas. El tetraborato de sodio decahidratado ( Borax ) no debe ser secado a la estufa. Las soluciones amortiguadoras preparadas, se deben guardar en frascos de vidrio o de polipropileno, bien tapadas y prepararse cada mes.

Estandarización Procedimiento Prenda el medidor de pH y permita que se caliente Mida la temperatura de la solución amortiguadora de pH 6.86 y ajuste el medidor con el botón de Temperatura Inserte los electrodos en la solución de pH 6.86 y ajuste el pH a este valor en el medidor con el botón de calibrar Elevar y enjuagar los electrodo con agua destilada Inserte los electrodos en la solución de pH 4.00 y ajuste el pH a este valor en el medidor con el botón de Pendiente ( Slope ) Elevar y enjuagar los electrodo con agua destilada. Procedimiento Una vez calibrado el aparato de medición de pH, se procede a la medición de la muestra: Mida la temperatura de la muestra y ajuste el medidor con el botón de Temperatura Inserte los electrodos en la muestra y lea el pH correspondiente Elevar y enjuagar los electrodo con agua destilada Almacenar los electrodos en solución amortiguadora de pH 7 o menor.

Cálculos Estandarización Anotar el valor del pH con las cifras significativas de acuerdo a la precisión del medidor de pH que se esté utilizando. Anotar también la temperatura de la muestra al determinarle el pH. Estandarización La precisión que se puede obtener con una cuidadosa calibración del aparato y electrodos, será de  +/- 0.05 unidades de pH

Bibliografia American Society for testing and Materials. Annual book of Standards 1994 Determinación de pH en el  agua. Metodo ASTM D 1293-84 reaprobado en 1990 Standard methods for the examinatión of water and waste water publicado por la APHA. Enciclopedia Britanica (1986-2006), tomo 4. Diccionario Clarin. Pagina de la catedra (http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/qcasis/)