Πεχάμετρο ονομάζεται η συσκευή που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του pH ενός διαλύματος, το οποίο ορίζεται σύμφωνα με την σχέση:

pH= -log[H+]

όπου [H+] είναι η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου.

Η λειτουργία ενός πεχάμετρου

Η μέτρηση του pH γίνεται με ειδικά ηλεκτρόδια που βρίσκονται σε κάθε πεχάμετρο. Τα πεχάμετρα χρησιμοποιούν την αρχή της ποτενσιομετρικής μέτρησης του pH, που προσδιορίζει την ενεργότητα των ιόντων υδρογόνου σε ένα διάλυμα. Η μέτρηση γίνεται με την χρήση ενός ενδεικτικού ηλεκτρόδιου και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς. Το δυναμικό του ενδεικτικού ηλεκτροδίου εξαρτάται εκλεκτικά από την ενεργότητα των ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα. Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια, έπειτα από βαθμονόμηση, δίνει το pH. Τις περισσότερες φορές χρησιμοποιούνται δύο είδη ενδεικτικών ηλεκτροδίων: τα ηλεκτρόδια υάλου και τα ηλεκτρόδια τύπου ISFET.

Ηλεκτρόδια Υάλου

Η λειτουργία των ηλεκτροδίων υάλου στηρίζεται σε γυάλινη μεμβράνη πάχους 0,2-0,5cm κατασκευασμένης από γυαλί ειδικής ποιότητας. Η χημική σύσταση της μεμβράνης ποικίλει ανάλογα με τον κατασκευαστή αλλά συνήθως αποτελείται κατά 70% από SiO₂ και από μεταβλητά ποσοστά Na₂O, CaO, LiO και BaO.

Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) που αποτελεί το σκελετικό υλικό του γυαλιού προσροφά στρώμα νερού και δημιουργεί σε κάθε μια από τις δυο επιφάνειες της γυάλινης μεμβράνης εφυδατωμένο στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Το λεπτό αυτό επιφανειακό στρώμα πάχους περίπου 10-4 mm, έχει την μορφή ζελέ και συμπεριφέρεται σαν ιονανταλλάκτης.

Τα κατιόντα νατρίου (Na+) του εφυδατωμένου στρώματος ανταλλάσσονται με ιόντα υδρογόνου, του διαλύματος με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ισορροπίας σύμφωνα με την αντίδραση:

Na+επιφ + Η+διαλ → Η+επιφ + Νa+διαλ

Η παραπάνω χημική ισορροπία είναι κατά κανόνα μετατοπισμένη προς τα δεξιά με αποτέλεσμα σχεδόν το σύνολο των ιόντων Na+, της επιφάνειας να αντικαθιστώνται με ιόντα H+. Εξαίρεση υπάρχει μόνο στα πολύ αλκαλικά διαλύματα (pH > 12) όπου η μεγάλη συγκέντρωση των ιόντων Na+ μετατοπίζει την ισορροπία προς τα αριστερά.

Σημειώνεται ότι το εφυδατωμένο επιφανειακό στρώμα της μεμβράνης είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την σωστή λειτουργία του ηλεκτροδίου. Η ποσότητα του προσροφημένου νερού είναι περίπου 50mg ανά cm3 γυαλιού. Για τον λόγο αυτό όλα τα ηλεκτρόδια υάλου φυλάσσονται πάντα σε απιονισμένο νερό ή άλλο υδατικό διάλυμα σταθερού pH.

Λόγω της διαφοράς ενεργότητας των ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα και εντός και εκτός της επιφάνειας του γυαλιού, αναπτύσσονται δυναμικά Nerst. Εάν η σύσταση του εσωτερικού διαλύματος παραμείνει σταθερή, το δυναμικό κατά μήκος της μεμβράνης θα εξαρτάται μόνο από το pH του εξωτερικού διαλύματος.

Το δυναμικό μετράται με τη χρήση ηλεκτροδίων μέσα στα δυο διαλύματα. Στην πράξη χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια τύπου αργύρου – χλωριούχου αργύρου (Ag/AgCl/Cl^-) ή καλομέλανος (Hg/Hg₂Cl₂Cl^-). Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια αναφοράς συν της μεμβράνης δίνουν το pH του διαλύματος. Επειδή η αγωγιμότητα της γυάλινης μεμβράνης είναι μικρή, η μέτρηση του δυναμικού δεν γίνεται με συνηθισμένες συσκευές μέτρησης δυναμικού.

Η θερμοκρασία επιδρά στη μέτρηση του pH, καθώς επηρεάζει τη σταθερά ισορροπίας όλων των αντιδράσεων. Για να επιτευχθεί μέγιστη ακρίβεια, τα πρότυπα και τα προς μέτρηση διαλύματα πρέπει να βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, να έχει αποκατασταθεί πλήρως η θερμική ισορροπία και να έχει γίνει η διόρθωση της κλίσης ως προς την θερμοκρασία.

Το ηλεκτρόδιο υάλου αποτελεί τον πιο αξιόπιστο μεταλλάκτη για την μέτρηση του pH, χρησιμοποιείται χωρίς πρόβλημα σε διαλύματα που περιέχουν ισχυρά οξειδωτικές ή αναγωγικές ενώσεις, αέρια και διάφορα βιολογικά μόρια. Παρόλα αυτά παρουσιάζουν κάποια σφάλματα, τα κυριότερα από αυτά είναι:

1. Το αλκαλικό σφάλμα: Για pH>10 οι μετρούμενες τιμές είναι μικρότερες από τις πραγματικές.
2. Το όξινο σφάλμα: Για pH<1 οι μετρούμενες τιμές είναι μεγαλύτερες από τις πραγματικές.
3. Το σφάλμα από αφυδάτωση ή μηχανική καταπόνηση: Αν η γυάλινη μεμβράνη αφυδατωθεί χάνει τις ιδιότητες αλλά αντιστρεπτά. Σε περίπτωση που η μεμβράνη καλυφθεί από λιπαρό ή αδιάλυτο στο νερό υλικό ή καταπονηθεί μηχανικά τότε καταστρέφεται.
4. Σφάλματα από τον ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο: Σφάλματα που προκύπτουν όταν κλείνουν μερικώς ή ολικώς οι πόροι του ηλεκτρολυτικού συνδέσμου του ηλεκτροδίου αναφοράς.

Για την μέτρηση του δυναμικού των ηλεκτροδίων υάλου χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά βολτόμετρα. Τα αναλογικά βολτόμετρα συμπεριλαμβάνουν κύκλωμα μετατροπής δυναμικού σε μονάδες pH, το οποίο λαμβάνει υπόψη του και την θερμοκρασία. Για να βαθμονομηθούν χρησιμοποιούνται συνήθως δύο ρυθμιστικά διαλύματα, το ένα με pH=7 και το άλλο με pH=7,3. Τα ψηφιακά βολτόμετρα χρησιμοποιούν διαφορετικό τρόπο βαθμονόμησης, οι οδηγίες για την βαθμονόμηση προβάλλονται στην οθόνη της συσκευής και η βαθμονόμηση μπορεί να συμπεριλαμβάνει τρία ή περισσότερα ρυθμιστικά διαλύματα.

Ηλεκτρόδια τύπου ISFET

Το ISFET είναι ένα FET μετάλλου οξειδίου ημιαγωγού (MOSFET) στο οποίο το μεταλλικό ηλεκτρόδιο της πύλης έχει αντικατασταθεί από επιφάνεια η οποία παίζει το ρόλο εκλεκτικού ηλεκτροδίου ιόντων όταν έλθει σε επαφή με διάλυμα ηλεκτρολύτη. Τα ISFET λειτουργούν και χρησιμοποιούνται όπως τα MOSFET. Τα ISFET παρουσιάζουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα ηλεκτρόδια υάλου:

1. Έχουν μικρό μέγεθος.
2. Είναι σταθερά και ανθεκτικά.
3. Έχουν μικρό χρόνο απόκρισης στις μεταβολές της ενεργότητας των ιόντων υδρογόνου, εξαιτίας της μικρής επιφάνειας της πύλης και του μικρού πάχους της ευαίσθητης μεμβράνης.
4. Είναι δυνατό να ενσωματωθούν στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα, αντισταθμιστής θερμοκρασίας, σύστημα επεξεργασίας και ενίσχυσης σήματος, ηλεκτρόδια αναφοράς, όπως και άλλα αισθητήρια ISFET με εκλεκτικότητα σε διάφορα ιόντα.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

* Οδηγίες λειτουργίας ενός πεχάμετρου

Ένα τυπικό πεχάμετρο (*)