เครื่องวัดพีเอช (pH Meter)
admin
งานบางชนิดต้องการความถูกต้องของค่าพีเอชถึง ±0.001 หน่วย แต่การวัดพีเอชโดยใช้สารเปลี่ยนสี จะมีความผิดพลาดจากการเทียบสี และสีผิดเพี้ยนจากสีที่เจือปนจากสารละลายที่วัดพีเอช ทำให้มีความผิดพลาดในการอ่านค่าตั้งแต่ 1.5-2.0 หน่วย จึงไม่เหมาะสมกับงานที่ต้องการความถูกต้องของพีเอชสูง ดังนั้นการวัดค่าพีเอชที่ถูกต้อง จึงต้องอาศัยเครื่องวัดพีเอชซึ่งมีความผิดพลาดน้อยกว่า เพราะพีเอชมีค่าเท่ากับลบล็อกของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน การเปลี่ยนแปลงค่าพีเอช 1 หน่วย จึงเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของไฮโดรเจนไอออนถึง 10 หน่วย นอกจากนี้ระบบการอ่านค่าของเครื่องวัดพีเอช ยังสามารถปรับให้อ่านได้ละเอียดถึง 0.001 หน่วย
หลักการวัดพีเอช
เครื่องวัดพีเอช อาศัยหลักการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นระหว่างเล็กโทรดวัด ซึ่งจุ่มอยู่ในสารละลาย แล้วเปลี่ยนค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าให้เป็นค่าพีเอชโดยการเทียบค่ากับบัฟเฟอร์มาตรฐาน การคำนวณค่าพีเอชดัดแปลงมาจากสมการของเนินสต์ ซึ่งหาค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์ไฟฟ้าใด ๆ โดยการวัดเทียบกับไฮโดรเจนอิเล็กโทรด ซึ่งกำหนดให้มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากับ 0.0000 โวลต์ ที่ 25 ℃
ในทางปฏิบัติไม่นิยมใช้ไฮโดรเจนอิเล็กโทรดเป็นอิเล็กโทรดอ้างอิง สำหรับการหาค่าพีเอช เพราะไฮโดรเจนอิเล็กโทรดมีขนาดใหญ่ไม่สะดวกต่อการใช้งาน ดังนั้น National Bureau of Standard (NBS) จึงกำหนดค่าพีเอชของบัฟเฟอร์มาตรฐานขึ้นมาใช้ โดยการวัดค่าพีเอชของบัฟเฟอร์มาตรฐานด้วยอิเล็กโทรดวัดชนิด Ag/AgCl เปรียบเทียบกับไฮโดรเจนอิเล็กโทรดเมื่อไม่ใช้รอยต่อระหว่างของเหลว
อิเล็กโทรดอ้างอิง
อิเล็กโทรดที่สามารถสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คงที่ เช่น ไฮโดรเจนอิเล็กโทรด คาโลเมลอิเล็กโทรด และซิลเวอร์/ซิลเวอร์คลอไรด์ อิเล็กโทรด
อิเล็กโทรดวัด
อิเล็กโทรดวัดหมายถึง อิเล็กโทรดที่ความต่างศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามแอกติวิตีของไอออนที่ต้องการวัดการวัดพีเอชนิยมใช้อิเล็กโทรดแก้วชนิดที่ธาตุภายในเป็น Ag/AgCl จึงขอกล่าวเฉพาะรายละเอียดของอิเล็กโทรดแบบ Ag/AgCl
อิเล็กโทรดรวม
อิเล็กโทรดรวมเป็นอิเล็กโทรดที่สร้างขึ้นมาเพื่อความสะดวกในการใช้งาน ตัวอย่างเช่น การวัดสารละลายที่มีปริมาตรน้อย การวัดพีเอชของสารละลายในภาชนะแคบ ๆ และยังสะดวกในการจับถือ จึงนิยมใช้มากในห้องปฏิบัติการทั่วไป
บัฟเฟอร์มาตรฐาน
1. การเลือกบัฟเฟอร์มาตรฐาน การเลือกบัฟเฟอร์มาตรฐานสำหรับการวัดพีเอช ควรพิจารณาเปรียบเทียบคุณสมบัติที่สำคัญคือ
1.1 ความจุของบัฟเฟอร์
1.2 ผลของความเจือจาง
1.3 ผลของเกลือ
2. การเตรียมบัฟเฟอร์มาตรฐาน บัฟเฟอร์มาตรฐานมีหลายชนิด สิ่งที่สำคัญในการเตรียมบัฟเฟอร์คือ การใช้สารเคมีที่มีความบริสุทธิ์มากที่สุด ใช้น้ำกลั่นที่กลั่นใหม่ ๆ หรือปราศจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และควรมีความต้านทานไม่น้อยกว่า 500,000 โอห์ม ส่วนภาชนะที่ใช้เก็บอาจทำด้วยแก้วหรือพลาสติก
3. การใช้บัฟเฟอร์มาตรฐาน ควรปฏิบัติดังนี้
3.1 ไม่ควรใช้บัฟเฟอร์ที่หมดอายุ มีราขึ้น มีสารเจือปน หรือมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ละลายปนอยู่มาก
3.2 ปิดฝาขวดให้แน่นเมื่อไม่ได้ใช้ เพื่อป้องกันแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ละลายลงไปในบัฟเฟอร์
3.3 ควรแบ่งบัฟเฟอร์จากขวดใหญ่ออกมาใช้ และห้ามเทกลับขวดใหญ่อีกหลังจากใช้งานเสร็จแล้ว เพราะอาจทำให้ค่าพีเอชในขวดเปลี่ยนแปลง
3.4 ควรใช้บัฟเฟอร์ที่มีค่าพีเอชใกล้เคียงกับพีเอชของสารละลายที่จะวัด เพื่อลดความผิดพลาดในการวัดพีเอช
3.5 ควรใช้บัฟเฟอร์ทีมีสีแตกต่างกัน เพื่อช่วยลดความผิดพลาดจากการหยิบบัฟเฟอร์
3.6 บัฟเฟอร์ชนิดที่กำหนดค่าพีเอชเฉพาะที่อุณหภูมิเดียว ซึ่งอาจจะเป็นที่ 20 ℃ หรือที่ 25 ℃ ถ้าอุณหภูมิใช้งานของบัฟเฟอร์แตกต่างไปจากอุณหภูมิดังกล่าว
การใช้เครื่องวัดพีเอช
ก่อนใช้เครื่องวัดพีเอชควรตรวจสภาพความพร้อมของเครื่องมือก่อน ตัวอย่างเช่น การสังเกตดูสภาพพร้อมของอิเล็กโทรด เปิดช่องรูระบายอากาศบริเวณด้านบนของอิเล็กโทรด เปิดไฟฟ้าเพื่ออุ่นเครื่องประมาณ 10-30 นาที หลังจากนั้นจึงใช้งานตามแนวทางปฏิบัติทั่ว ๆ ไปดังนี้
- วัดอุณหภูมิของบัฟเฟอร์มาตรฐานเพื่อหาค่าที่แท้จริง
- ในขณะที่อยู่ในตำแหน่ง Standby ล้างปลายอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่น ซับเบา ๆ ให้แห้งด้วยผ้าก๊อสที่สะอาด
- หมุนปุ่ม Temperature compensator ให้ค่าเท่ากับอุณหภูมิที่วัดได้
- จุ่มอิเล็กโทรดพร้อม ATC probe (ในกรณีที่ใช้ระบบชดเชยอุณหภูมิแบบอัตโนมัติ) ลงในบัฟเฟอร์มาตรฐานพีเอช 7.00 ลึกประมาณ 1 ซม.
- หมุนปุ่ม Calibrate จนอ่านค่าได้พีเอช 7.00 พอดี
- เลือกตำแหน่ง Standby ล้างอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่นแล้วซับให้แห้ง
- จุ่มอิเล็กโทรดพร้อม ATC probe ลงในบัฟเฟอร์พีเอช 4.00 หรือ 10.00 หมุนปุ่ม Slope จนอ่านค่าพีเอชได้เท่ากับค่าของบัฟเฟอร์มาตรฐานที่เลือกใช้
- ทำซ้ำข้อ 2 ถึง ข้อ 7 อีกครั้งหนึ่ง
- ล้างอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่น และซับให้แห้ง
- วัดพีเอชของสารละลายที่ต้องการ ค่าพีเอชจะนิ่งโดยใช้เวลาตั้งแต่ 10 วินาทีถึง 3 นาทีขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดและชนิดของสารละลาย
- ล้างอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่น ซับให้แห้ง
- ปิดรูระบายอากาศด้านบนอิเล็กโทรด
- แช่อิเล็กโทรดไว้ในน้ำกลั่น
การเลือกเครื่องวัดพีเอช
1. อิเล็กโทรด เนื่องจากอิเล็กโทรดส่วนใหญ่มีราคาแพง ชำรุดเสียหายได้ง่าย และมีอายุการใช้งานสั้น จึงควรพิจารณาถึง
1.1 ช่วงของพีเอชที่สามารถวัดค่าได้อย่างถูกต้อง อิเล็กโทรดที่มีคุณภาพดี มักจะมีช่วงการวัดพีเอชกว้างกว่า
1.2 ช่วงอุณหภูมิที่ใช้งานได้
1.3 ความผิดพลาดจากกรดหรือด่าง
1.4 ระยะเวลาการตอบสนอง อิเล็กโทรดที่มีคุณภาพดีมักจะมีระยะเวลาการตอบสนองของอิเล็กโทรดน้อยกว่า
1.5 มีหลายแบบ หลายขนาดสำหรับการใช้งานประเภทต่าง ๆ
1.6 มีราคาเหมาะกับคุณภาพ
1.7 ความต้านทานของอิเล็กโทรด โดยทั่วไปอิเล็กโทรดที่มีความต่านทานต่ำ มีอายุการใช้งานมากกว่าอิเล็กโทรดที่มีความต้านทานสูง
1.8 สายอิเล็กโทรด ควรเป็นฉนวนที่ป้องกันไฟฟ้าสถิตได้ดีในอากาศแห้ง และป้องกันการรั่วของกระแสไฟฟ้าในอากาศชื้นได้ดี
1.9 โครงสร้างภายนอกอิเล็กโทรด โดยทั่วไปนิยมทำจากวัสดุ 2 ชนิด คือ แบบทำด้วยแก้ว และแบบอีพอกซี
2. เครื่องวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า ควรพิจารณาถึง
2.1 ความต้านทานเชิงซ้อนเข้า
2.2 ระบบไมโครโพรเซสเซอร์
2.3 โครงสร้างทางฟิสิกส์
การบำรุงรักษา
ส่วนสำคัญและจะต้องบำรุงรักษา คือ pH electrode เพื่อให้ผลของการวัดมีความถูกต้องและแม่นยำ และยังช่วยให้สามารถใช้งานได้ยาวนานขึ้น มีข้อควรปฏิบัติดังนี้
- การปรับสภาพก่อนการใช้งาน
- ล้าง pH electrode ด้วยน้ำกลั่นหรือน้ำที่ปราศจากไอออน
- แช่ pH electrode ในสารละลาย เช่น 3.0 M KCL หรือ สารละลายบัฟเฟอร์ pH 4.0 หรือสารละลายบัฟเฟอร์ pH 7.0 ทิ้งไว้ 20 นาที
- อย่านำ pH electrode แช่ในน้ำกลั่นหรือน้ำปราศจากไอออนโดยเด็ดขาด เพราะการแช่อยู่ในน้ำบริสุทธิ์นาน ๆ จะทำให้ Glass membrane เสียหาย
- ล้าง pH electrode ด้วยน้ำกลั่นหรือน้ำปราศจากไอออน - การใช้งาน
- ล้างอิเล็กโทรดด้วยน้ำกลั่นก่อนและหลังการวัดตัวอย่าง ซับแห้งส่วนของ Glass membrane ด้วย กระดาษอ่อนนุ่มหรือสำลีเท่านั้น
- อย่าถู Glass membrane แรง ๆ เพราะจะทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตที่จะรบกวนการวัดในครั้งต่อไป - การเก็บรักษา
- ควรเก็บ pH electrode ในสารละลายของ KCL
- ไม่ควรเก็บอิเล็กโทรดไว้ในน้ำกลั่นหรือน้ำปราศจากไอออนเพราะจะทำให้ Electrolyte ไอออนไหลออกจาก Glass membrane ทำให้ Electrode ใช้งานไม่ได้ - การบำรุงรักษาและการทำความสะอาด มี 3 ส่วนหลัก ๆ ของอิเล็กโทรดที่ต้องการการดูแลรักษา
4.1 Internal ควรจะเปลี่ยน Electrolyte อย่างสม่ำเสมอ เมื่อสารละลายนี้เปลี่ยนสีหรือมีตะกอนเกิดขึ้นในปริมาณที่มากระดับของ Electrolyte ควรจะมีประมาณ 75–80% ขึ้นไป (ทิ้งเนื้อที่ไว้สำหรับการขยายตัว ในกรณีที่อิเล็กโทรดอยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ)
4.2 Glass membrane ขึ้นอยู่กับการใช้งาน เช่น การจุ่ม electrode ในสารละลายที่มีเลือดหรือโปรตีนอยู่หรือสารละลายชนิดอื่น ๆ ที่สามารถสร้างสิ่งอุดตันให้แก่ pH electrode และทำให้ pH electrode ไม่สามารถใช้งานได้ การทำความสะอาดจะช่วยยืดอายุการใช้งาน
สารละลายที่ใช้ในการกำจัดสิ่งแปลกปลอม
- 0.1 M HCL หรือ 0.1 M HNO3 จุ่มแช่ไว้ 20 นาที สำหรับล้างทำความสะอาดทั่ว ๆ ไป
- 1:10 น้ำยาซักผ้าแบบอ่อน จุ่มแช่ไว้ 10 นาที สำหรับสิ่งแปลกปลอมที่เกาะแน่นหรือแบคทีเรีย
- Methanol จุ่มแช่ไว้ 10 นาที สำหรับไขมัน
- 1% pepsin ใน 0.1 M HCL จุ่มแช่ไว้ 5 นาที สำหรับโปรตีน
4.3 Liquid junction มีสาเหตุหลัก 3 อย่าง ที่ทำให้ Liquid junction อุดตันได้คือ
- การทิ้ง Electrode ให้แห้งและ Electrolyte เกิดการตกผลึกที่บริเวณ Liquid junction ในกรณีนี้ให้แช่ Electrode ในสารละลายหรือแช่ Electrode ใน Buffer pH 7 เพื่อทำให้ผลึกละลายหรือแช่ Electrode ใน Buffer 7 ที่ร้อน จะช่วยเพิ่มอัตราการละลาย
- ในกรณีที่สิ่งอุดตันเป็นพวกดินสารอนินทรีย์และของเหลวที่มีลักษณะเหนียว ให้ลางด้วย Cleaning solution เช่น Deacon R หรือใช้สารละลายอื่นที่สามารถละลายสิ่งอุดตันเหล่านี้ได้
-ปฏิกิริยาเคมีระหว่างตัวอย่างกับ Electrolyte ในกรณีนี้ควรเปลี่ยน Electrode อันใหม่
ปัญหาและสาเหตุ
- ค่าไม่นิ่ง
- สะพานเกลืออุดตัน
- มีฟองอากาศบริเวณเยื่อแก้ว
- สายอิเล็กโทรดขาด
- รอยเชื่อมต่อของสายอิเล็กโทรดไม่แน่น
- มีความชื้นบริเวณขั้วต่อของสายอิเล็กโทรด - ค่าเปลี่ยนแปลง
- อิเล็กโทรดใหม่ยังเกิดเยื่อแก้วชั้นเปียกไม่พอ
- สะพานเกลืออุดตัน
- เยื่อแก้วภายนอกสกปรก
- มีการวัดสลับกันในสารละลายที่มีพีเอชสูงและต่ำ หรือมีความแรงของไอออนมากและน้อย
- วัดทันทีหลังทำความสะอาดหรือเติม KCl ใหม่ในอิเล็กโทรดอ้างอิง
- เยื่อแก้วด้านนอกเสื่อมสภาพ
- การต่อสายดินไม่ดี - ความชันน้อยกว่า 94%
- เยื่อแก้วสกปรก
- เยื่อแก้วเก่า หรือเสื่อมสภาพ
- ขั้วต่อของสายอิเล็กโทรดสกปรก
- วงจรควบคุมความชันหรือการชดเชยอุณหภูมิขัดข้อง - เครื่องไม่ทำงาน (เมื่อหมุนปุ่ม Calibrate แล้วภาคแสดงผลไม่เปลี่ยนแปลง)
- ไม่ได้เสียบปลั๊กไฟฟ้า
- ฟิวส์ขาด
- เสียบอิเล็กโทรดไม่แน่น
- สายอิเล็กโทรดขาด
- ระดับ KCI ในอิเล็กโทรดอ้างอิงต่ำกว่าปกติ
- แบตเตอรี่หมด
Reference:
ชูชาติ อารีจิตรานุสรณ์. (2544). เครื่องมือวิทยาศาสตร์. ขอนแก่น: โรงพิมพ์คลังนานาวิทยา
วราภรณ์ กิจชัยนุกูล. แนวทางการตรวจสอบความถูกต้องของ pH meter เพื่อการวัด pH-value ในตัวอย่าง
