Zpráva

Testovací proužek se krátce ponoří, změní barvu a během několika sekund poskytne výsledek. To zní jednoduše. Přesto tato metoda není vhodná pro každý úkol. Ten, kdo chce jen vědět, zda je čisticí roztok kyselý nebo alkalický, potřebuje jinou přesnost měření než laboratoř, která musí dokumentovat pH vzorku nebo kontrolovat proces.

K dispozici jsou mimo jiné pH-testovací proužky, indikátorové papíry, kapalné acidobazické indikátory a elektronické pH-metry. Každá metoda má svůj vlastní měřicí rozsah, typické zdroje chyb a smysluplné oblasti použití.

Tento průvodce vám pomůže vybrat vhodnou metodu a spolehlivěji určit hodnoty pH.

Co ukazuje hodnota pH?

Hodnota pH popisuje, zda vodný roztok reaguje kysele, neutrálně nebo alkalicky.

Zjednodušeně platí:

• Hodnota pH pod 7 ukazuje na kyselý roztok.
• Hodnota pH kolem 7 je při pokojové teplotě považována za neutrální.
• Hodnota pH nad 7 ukazuje na alkalický resp. zásaditý roztok.

Známá stupnice od 0 do 14 je pro mnoho vodných roztoků praktickou orientací. Neměla by však být chápána jako pevná hranice. Za určitých podmínek se mohou vyskytnout i hodnoty mimo tento rozsah.

Hodnota pH je logaritmická. Změna o jednu jednotku pH proto neodpovídá malé lineární změně. Mezi pH 3 a pH 4 je například desetinásobný rozdíl v odpovídající aktivitě vodíkových iontů.

V praktické měřicí technice se hodnota pH určuje pomocí kalibrovaných postupů a referenčních pufrovaných roztoků. Fyzikálně-technický spolkový ústav (PTB) k tomu používá primární referenční pufry podle mezinárodně harmonizovaných měřicích metod.

Jaké existují metody měření pH?

Vhodná metoda měření závisí na tom, jak přesný musí být výsledek a za jakých podmínek se měří.

Mezi nejčastější metody patří:

pH testovací proužky

Poskytují pomocí barevného přechodu přibližný rozsah pH. Barva se porovnává s vytištěnou srovnávací stupnicí.

Univerzální indikátorový papírek

Obvykle pokrývá široký rozsah pH a je vhodný pro rychlou orientaci.

Indikátorový papír s úzkým rozsahem měření

Tento papír pokrývá pouze omezený rozsah pH, ale v tomto rozsahu může umožnit jemnější odstupňování.

Kapalné indikátory

Určitá barviva mění svou barvu v rámci charakteristického překlenovacího rozmezí. Používají se mimo jiné při acidobazických reakcích a titracích.

Elektronické pH-metry

pH-metr měří elektrický potenciál elektrody a převádí jej na hodnotu pH. V praxi se často používají skleněné elektrody, které je třeba před měřením kalibrovat pomocí referenčních pufrovaných roztoků.

pH-testovací proužky a indikátorový papír

pH-testovací proužky patří k nejjednodušším metodám, jak přibližně určit pH hodnotu roztoku.

Použití je rychlé:

1. Krátce namočte testovací proužek do vzorku.
2. Přebytečnou kapalinu setřeste nebo nechte odkapat.
3. Počkejte na předepsanou reakční dobu.
4. Porovnejte barvu se srovnávací stupnicí.

Výsledkem je obvykle vizuální odhad, nikoli vysoce přesná naměřená hodnota.

Výhody pH testovacích proužků

• rychle použitelné,
• není potřeba elektronické měřicí zařízení,
• snadno přenosné,
• malá příprava,
• vhodné pro jednotlivá měření a orientační kontroly,
• není nutná kalibrace.

Nevýhody pH testovacích proužků

• omezená přesnost odečtu,
• subjektivní vnímání barev,
• obtížné vyhodnocení u barevných nebo zakalených vzorků,
• možné ovlivnění silnými oxidačními činidly nebo jinými reaktivními složkami,
• často pouze hrubé stupně,
• závislé na správném skladování a trvanlivosti.

Univerzální indikátorový papírek

Univerzální indikátorový papírek pokrývá široký rozsah, například pH 1 až 14. Je vhodný, pokud očekávaná hodnota pH ještě není známá.

Široký měřicí rozsah má však nevýhodu: jednotlivé barevné stupně jsou často relativně daleko od sebe. Pro prvotní zařazení to stačí. Pro přesnou kontrolu procesu obvykle ne.

Indikátorový papír s úzkým rozsahem měření

Je-li přibližná hodnota pH již známá, může být výhodný užší měřicí rozsah.

Papírek např. pro pH 4,0 až 7,0 umožňuje v tomto rozsahu obvykle jemnější odečet než univerzální papírek od pH 1 do 14.

Postup tedy může být dvoustupňový:

1. Nejprve určete přibližnou oblast pomocí univerzálního indikátorového papírku.
2. Následně změřte pomocí indikátorového papírku s užším rozsahem.

Kapalné pH indikátory

Kapalné indikátory jsou chemická barviva, jejichž barva se mění v závislosti na hodnotě pH.

Známými příklady jsou:

• Fenolftalein,
• Methyloranž,
• Methylčerveň,
• Bromthymolová modř,
• Bromkresolová zeleň,
• Lakmus,
• Thymolová modř.

Každý indikátor má určitou přechodovou oblast. Proto nezobrazuje rovnoměrně celé pH spektrum.

Příklad: Fenolftalein

Fenolftalein je v kyselém a slabě neutrálním prostředí bezbarvý. V alkalické oblasti získává růžové až sytě růžové zbarvení.

Proto není vhodný k přesnému měření libovolné hodnoty pH. Spíše ukazuje, zda roztok dosáhl charakteristické přechodové oblasti.

Příklad: Methyloranž

Methyloranž mění svou barvu v kyselé oblasti. Používá se mimo jiné při některých acidobazických titracích.

K čemu jsou vhodné kapalné indikátory?

• demonstrace acidobazických reakcí,
• titrace,
• kontrola, zda bylo dosaženo definovaného bodu přechodu,
• kvalitativní zařazení roztoku,
• Vzdělávání a laboratorní výuka.

Kde jsou hranice?

Jeden jednotlivý indikátor obvykle neposkytuje přesnou hodnotu pH. Pouze ukazuje, zda se vzorek nachází v rozmezí, pod nebo nad jeho přechodovou oblastí.

Také vlastní barva vzorku může ztížit posouzení. U silně zbarvených, zakalených nebo fluorescenčních kapalin může být barevná změna jen stěží rozpoznatelná.

pH metr a skleněná elektroda

Elektronický pH metr je preferovanou metodou, pokud je potřeba konkrétní číselná hodnota.

Zařízení se obvykle skládá z:

• měřicí přístroj,
• pH elektroda,
• často teplotní senzor,
• Kalibrační respektive pufrovací roztoky.

Elektroda vytváří v závislosti na aktivitě vodíkových iontů vzorku elektrický potenciál. Měřicí přístroj tento signál zpracuje a zobrazí vypočítanou hodnotu pH.

Výhody pH metru

• vyšší rozlišení než u testovacích proužků,
• číselná hodnota měření,
• vhodnější pro opakované kontroly,
• výsledky lze dokumentovat a porovnávat,
• vhodné pro sledování procesů a laboratorní analýzu,
• podle zařízení možná automatická teplotní kompenzace.

Nevýhody pH metru

• pravidelná kalibrace nezbytná,
• elektroda vyžaduje údržbu a vhodné skladování,
• vyšší pořizovací náklady,
• citlivý na znečištění a vysychání,
• ne každá elektroda se hodí pro každý vzorek,
• Možné chyby měření v důsledku nesprávné teploty nebo nedostatečné stabilizace.

Proč musí být pH metr kalibrován?

Vlastnosti elektrody se mění v čase. Usazeniny, stárnutí, skladování a teplota mohou ovlivnit výsledek měření.

Proto se zařízení kalibruje pomocí pufrovacích roztoků o známých hodnotách pH. PTB upozorňuje, že komerční pH měřicí přístroje se v praxi musí kalibrovat referenčními pufrovacími roztoky.

Pro mnoho aplikací se používá alespoň dvoubodová kalibrace. Přitom se vyberou dva pufry, mezi nimiž leží očekávaná hodnota měření.

Příklady:

• kyselý vzorek: pufr pH 4 a pH 7,
• alkalický vzorek: pufr pH 7 a pH 10,
• neznámý vzorek: nejprve orientačně změřit a poté vybrat vhodné kalibrační body.

Konkrétní kalibrační hodnoty závisí na zařízení, metodě a požadované přesnosti.

Testovací proužky nebo pH metr: přímé srovnání

pH testovací proužky

Výsledek: přibližný rozsah pH
Přesnost: nízká až střední
Náročnost: velmi nízká
Kalibrace: není nutná
Náklady: nízké
Vhodné pro: rychlou orientaci a jednoduché kontroly

Indikátorový papír s úzkým rozsahem měření

Výsledek: užší rozsah pH
Přesnost: lepší než u širokého univerzálního papíru, ale stále vizuální
Náročnost: nízká
Kalibrace: není nutná
Náklady: nízké
Vhodné pro: známé rozsahy měření a rychlé srovnávací kontroly

Tekutý indikátor

Výsledek: barevná změna v určitém rozmezí
Přesnost: závisí na indikátoru a na vzorku
Náročnost: nízká až střední
Kalibrace: není nutná
Náklady: nízké až střední
Vhodné pro: Titrace, kontrolu reakcí a demonstrace

pH metr

Výsledek: numerická naměřená hodnota
Přesnost: při správné kalibraci výrazně vyšší
Náročnost: střední
Kalibrace: pravidelně nutná
Náklady: vyšší
Vhodné pro: Laboratoř, kontrolu kvality, dokumentaci a monitorování procesů

Která metoda je vhodná pro kterou aplikaci?

Rychlá kontrola čisticího roztoku

Pro rychlé zařazení „kyselý, neutrální nebo zásaditý“ obvykle postačí univerzální indikátorový papír.

Má-li být kontrolováno, zda se roztok nachází v užším cílovém rozmezí, je vhodnější odpovídající odstupňovaný indikátorový papír.

Kontrola vody

Pro orientační kontrolu lze použít indikátorový papír.

Kdo chce pravidelně dokumentovat změny, rozpoznávat malé rozdíly nebo monitorovat proces, měl by použít kalibrovaný pH metr. Při profesionálních měřeních ve vzorcích vody je navíc třeba zohlednit odběr vzorků, teplotu, kalibraci a čas měření.

Půda a substráty

Testovací proužek by neměl být jednoduše přitlačen přímo na suchou zem. Obvykle se nejprve podle definované metody připraví suspenze nebo extrakt.

Výsledek závisí mimo jiné na:

• poměru mezi vzorkem a kapalinou,
• použité kapaliny,
• doby čekání,
• homogenizace,
• teploty.

Kdo chce porovnávat naměřené hodnoty, musí při každém měření použít stejný postup.

Titrace

Pro jednoduchou acidobazickou titraci může postačit vhodný barevný indikátor. Rozhodující je, že jeho oblast přechodu odpovídá očekávané oblasti ekvivalence reakce.

U barevných vzorků, automatizovaných postupů nebo vyšších požadavků na přesnost může být vhodnější potenciometrické stanovení s elektrodou.

Kontrola kvality a výroba

Jakmile jsou hodnoty pH dokumentovány, porovnávány mezi šaržemi nebo používány jako kritérium pro uvolnění, je pH metr obvykle lepší volbou.

Dále by měly být stanoveny:

• Četnost kalibrace,
• přípustné pufrovací roztoky,
• Teplota měření,
• Doba čekání na stabilní naměřenou hodnotu,
• Postup čištění,
• Dokumentace,
• Akceptační limity.

Škola, vzdělávání a demonstrace

Pro viditelné acidobazické reakce jsou obzvláště vhodné kapalné indikátory. Univerzální indikátorový papír navíc umožňuje rychlé zařazení více vzorků.

Správné měření pH: krok za krokem

Přesný postup závisí na zvolené metodě.

Měření pomocí pH testovacích proužků

1. Vyberte vhodný rozsah měření.

Pokud není rozsah pH znám, použijte univerzální papír.

Pokud je známá přibližná hodnota, vyberte papír s užším rozsahem měření.

2. Použijte čistou nádobu na vzorek.

Odeberte malé množství vzorku do čisté nádoby. Tím se zabrání kontaminaci celého produktu testovacím proužkem.

3. Správně navlhčete proužek.

Podle pokynů výrobce se proužek:

• krátce ponořen,
• navlhčen kapkou,
• nebo kontaktován čistou skleněnou tyčinkou.

Pokyny k použití konkrétního produktu mají přednost.

4. Dodržujte reakční dobu.

Neodečítejte výsledek okamžitě ani až po několika minutách. Správná doba čekání je uvedena v návodu k produktu.

5. Porovnejte barvu při vhodném osvětlení.

Používejte pokud možno neutrální, jasné světlo. Barevné osvětlení může změnit vnímání.

6. Dokumentujte výsledek jako rozsah.

Testovací proužek často neposkytuje přesně zaručenou jednotlivou hodnotu. Dokumentujte proto například „pH asi 6–7“ místo „pH 6,4“, pokud stupnice tuto přesnost neumožňuje.

Měření pH metrem

1. Zkontrolujte elektrodu.

Zkontrolujte:

• Je elektroda čistá?
• Byla správně skladována?
• Je vysušená?
• Jsou viditelná poškození?
• Je k dispozici dostatek elektrolytu, pokud je model doplňovatelný?

2. Připravte vhodné pufry.

Vyberte kalibrační pufry, které pokrývají očekávaný rozsah měření.

Znečištěné pufrovací roztoky mohou zkreslit celou kalibraci. Použité pufry proto nevylévejte zpět do zásobní lahve.

3. Kalibrujte přístroj.

Opláchněte elektrodu mezi pufry vhodnou vodou a jemně ji osušte. Silné tření může elektrodu elektrostaticky ovlivnit nebo poškodit.

4. Zohledněte teplotu.

Pufr a vzorek by měly být měřeny pokud možno při srovnatelných teplotách. Teplota ovlivňuje jak elektrodu, tak skutečnou hodnotu pH roztoku.

Publikace PTB upozorňuje, že kalibrace a následné měření pH by měly probíhat při stejné teplotě, aby se snížily odchylky způsobené teplotou.

5. Ponořte elektrodu do vzorku.

Citlivá měřicí plocha musí být dostatečně zakryta. Elektroda přitom nesmí narážet na dno nádoby.

6. Opatrně pohybujte vzorkem.

Mírné míchání může pomoci dosáhnout rovnoměrné naměřené hodnoty. Příliš silné míchání může vnášet vzduch nebo u citlivých vzorků změnit složení.

7. Počkejte na stabilní naměřenou hodnotu.

Neodečítejte první zobrazenou hodnotu. Počkejte, dokud se displej nestabilizuje nebo přístroj neindikuje stabilní koncový bod.

8. Očistěte elektrodu a správně ji skladujte.

Po měření se elektroda opláchne podle pokynů výrobce a uloží do určeného skladovacího roztoku.

Klasická skleněná elektroda by normálně neměla být trvale uchovávána v destilované nebo demineralizované vodě, pokud výrobce neurčí jinak.

Proč jsou teplota a kalibrace důležité

Teplota je při měření pH často podceňována.

Může způsobovat dva různé efekty:

1. Elektrické chování elektrody se mění.
2. Skutečná hodnota pH vzorku se může s teplotou měnit.

Automatická teplotní kompenzace vyrovnává především teplotně závislou reakci elektrody. Neznamená to automaticky, že hodnota naměřená při 10 °C může být přímo ztotožněna s hodnotou naměřenou při 30 °C.

Referenční pufry mají proto teplotně závislé nominální hodnoty. Pro reprodukovatelné měření by pufry, vzorek a zařízení měly být dostatečně temperovány. Oficiální referenční měření PTB se provádějí v definovaných teplotních rozsazích.

Typické chyby při měření pH

Použití příliš širokého testovacího rozsahu

Kdo očekává hodnotu kolem pH 6, získá s testovacím papírkem pH 1 až 14 možná pouze hrubé zařazení.

Užší měřicí rozsah obvykle poskytuje lépe rozlišitelnou barevnou škálu.

Vizuální měření zabarvených vzorků

U tmavých šťáv, roztoků barviv nebo zakalených suspenzí může vlastní barva překrýt indikátor.

pH metr může být vhodnější, pokud je elektroda určena pro daný vzorek.

Ponoření testovacího proužku přímo do zásobní nádoby

Tím se mohou do produktu dostat indikátorové látky nebo nečistoty.

Lepší je odebrat malý vzorek do samostatné nádoby.

Použití znečištěné elektrody

Oleje, bílkoviny, soli nebo usazeniny pevných látek mohou prodloužit dobu odezvy a ovlivnit výsledek.

Čištění musí odpovídat typu znečištění a použité elektrodě.

Neoplachovat elektrodu mezi vzorky

Zbytky předchozího vzorku ovlivňují další měření. To je obzvláště kritické u silně kyselých, alkalických nebo pufrovaných roztoků.

Kalibrovat s nevhodnými nebo starými pufry

Otevřené, znečištěné nebo nesprávně skladované pufry mohou změnit svou nominální hodnotu.

Dodržujte dobu použitelnosti, teplotu skladování a pokyny výrobce.

Nesprávný výběr kalibračních bodů

Kdo očekává alkalický vzorek, ale kalibruje výhradně v kyselé oblasti, pracuje mimo smysluplně pokrytý rozsah.

Pufry by měly pokud možno zahrnovat očekávanou naměřenou hodnotu.

Převzít první zobrazenou hodnotu

Elektrody potřebují čas na přizpůsobení se vzorku. Při nízké teplotě, nízké vodivosti nebo znečištěné elektrodě může stabilizace trvat déle.

Uvádění výsledků měření s příliš mnoha desetinnými místy

Zobrazení hodnoty 7,00 automaticky neznamená, že celý měřicí postup dosahuje přesnosti ±0,01 pH.

Ke skutečné kvalitě měření patří také:

• Kalibrace,
• Stav elektrody,
• Kvalita pufrů,
• teplota,
• Příprava vzorku,
• Opakovatelnost.

Přímo porovnat různé metody měření

Hodnota z testovacího proužku a instrumentálně stanovená hodnota se mohou lišit. To automaticky neznamená, že je jeden z výsledků nesprávný. Obě metody mají různá rozlišení a zdroje chyb.

Bezpečnost při manipulaci s kyselými a alkalickými roztoky

Neutrální nebo jen mírně odchylné pH neznamená automaticky, že je vzorek neškodný. Naopak nebezpečnost produktu nelze odvodit pouze z hodnoty pH.

Další relevantní faktory jsou:

• koncentrace,
• chemické složení,
• oxidační účinek,
• toxicita,
• teplota,
• reaktivita,
• použité množství,
• možná tvorba par nebo aerosolů.

Před měřením chemických produktů by proto měly být zkontrolovány etiketa a bezpečnostní list.

Podle vzorku může být vyžadováno:

• ochranné brýle,
• vhodné ochranné rukavice,
• laboratorní plášť nebo ochranný oděv,
• ochrana obličeje,
• technické větrání,
• vhodné nádoby na vzorky.

Neznámé roztoky by se neměly ochutnávat, přímo vdechovat nebo neutralizovat bez kontroly.

Pomůcka pro rozhodování o vhodné metodě měření

Zvolte univerzální indikátorový papírek, pokud:

• přibližný rozsah pH je neznámý,
• stačí rychlá orientace,
• není vyžadována vysoká přesnost,
• měří se jen příležitostně.

Zvolte indikátorový papírek s úzkým rozsahem, pokud:

• očekávaná hodnota pH je již přibližně známa,
• chcete lépe rozlišovat v určitém rozsahu,
• stačí rychlá vizuální kontrola.

Zvolte kapalný indikátor, pokud:

• má být pozorován určitý chemický bod ekvivalence,
• provádí se acidobazická titrace,
• změna barvy je součástí demonstrace nebo kontroly reakce.

Zvolte pH metr, pokud:

• je potřeba numerická hodnota měření,
• výsledky se dokumentují,
• malé změny jsou relevantní,
• pravidelně se měří,
• šarže nebo procesy se vzájemně porovnávají,
• vlastní barva vzorku ztěžuje vizuální vyhodnocení.

Pro mnoho úkolů je vhodná kombinace: nejprve se přibližný rozsah určí testovacím papírkem. Následně se provede přesnější měření vhodně kalibrovaným pH metrem.

Rozhodující není, která metoda je technicky nejnáročnější. Rozhodující je, jakou kvalitu měření konkrétní úkol vyžaduje.

Na ChemMarkt.de najdete indikátorové papírky, acidobazické indikátory, pufrovací roztoky a chemická činidla pro laboratoř, provoz, vzdělávání a technické aplikace.

Objevte produkty pro stanovení pH a vyberte vhodné řešení pro váš měřicí rozsah.