เครื่องวัดค่า pH meter เป็นเครื่องมือสำคัญในห้องปฏิบัติการ สถานวิจัย และอุตสาหกรรมต่างๆ สำหรับการวัดความเป็นกรดหรือด่างของสารละลาย
เพื่อให้แน่ใจว่าการอ่านค่ามีความแม่นยำและเชื่อถือได้ เครื่องวัดค่า pH จะต้องผ่านการสอบเทียบอย่างถูกต้อง และองค์ประกอบที่สำคัญของกระบวนการสอบเทียบนี้คือการทำความเข้าใจ “ความชันหรือ Slope” ของเครื่องวัดค่า pH
ในบทความนี้เราจะเจาะลึกว่า Slope หมายถึงอะไรในบริบทของเครื่องวัดค่า pH เหตุใดจึงมีความสำคัญ และวิธีการวัดและปรับความชันเพื่อให้วัดค่า pH ได้อย่างแม่นยำ
เข้าใจพื้นฐานของ pH meter
เครื่องวัดค่า pH ทำงานโดยวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) ซึ่งมีปริมาณน้อยในหน่วยมิลลิโวลท์ mV ที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด pH และอิเล็กโทรดอ้างอิงเมื่อจุ่มลงในสารละลาย
ความต่างศักย์ไฟฟ้าสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน (pH) ของสารละลาย ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์ขั้นตอนเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องวัด
เมื่ออิเล็กโทรด pH และอิเล็กโทรดอ้างอิงจุ่มลงในสารละลาย ไฮโดรเจนไอออน (H⁺) ในสารละลายจะทำปฏิกิริยากับหัววัดแก้วของอิเล็กโทรด pH ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุบนเยื่อแก้ว ส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมี ตามสมการ Nernst ความต่างศักย์ไฟฟ้านี้เป็นฟังก์ชันลอการิทึมของกิจกรรมไอออนไฮโดรเจน (pH) ในสารละลาย:
ความต่างศักย์ไฟฟ้านี้จะถูกขยายโดยระบบอิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องวัดจากนั้นสัญญาณที่ขยายจะถูกแปลงเป็นค่า pH ที่อ่านได้โดยใช้เส้นโค้งการสอบเทียบที่เก็บไว้ในหน่วยความจำของเครื่องวัด
ค่า slope pH meter คืออะไร?
ค่า slope pH meter คือความไวของระบบอิเล็กโทรดต่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน โดยพื้นฐานแล้ว Slope หรือความชันหมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า (มิลลิโวลต์ mV) จากอิเล็กโทรด pH เมื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงหน่วยของค่า pH
โดยหลักการแล้ว ความชันควรอยู่ที่ -59.16 mV ต่อ 1 หน่วย pH ที่อุณหภูมิ 25°C ซึ่งหมายความว่าสำหรับการเปลี่ยนแปลงค่า pH แต่ละหน่วย ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากอิเล็กโทรดควรเปลี่ยนแปลงประมาณ 59.16 มิลลิโวลต์
ตารางแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง mV และ pH
| ph | mV |
|---|---|
| 0 | 414.12 |
| 1 | 354.96 |
| 2 | 295.8 |
| 3 | 236.64 |
| 4 | 177.48 |
| 5 | 118.32 |
| 6 | 59.16 |
| 7 | 0 |
| 8 | -59.16 |
| 9 | -118.32 |
| 10 | -177.48 |
| 11 | -236.64 |
| 12 | -295.8 |
| 13 | -354.96 |
| 14 | -414.12 |
สูตรค่า Slope pH meter
จากสูตรของความชันในสมัยที่เรียนมัธยมต้น Slope = DY/DX ในกรณีนี้คือ DmV/DpH ดังรูป
การคำนวณ % Slope
เรานิยมใช้ % Slope ซึ่งโดยทั่วไปความลาดชันระหว่าง 85 ถึง 105% เป็นที่ยอมรับได้ หากหัววัดของคุณอยู่นอกช่วงวัดนี้ คุณอาจต้องเปลี่ยนหัววัด pH
ในการคำนวณเปอร์เซ็นต์ความลาดชันของหัววัด pH ให้ทำดังนี้
- วัดและบันทึกค่า mV ในบัฟเฟอร์ pH 7.0 ซึ่งก็คือออฟเซ็ตของอิเล็กโทรด
- วัดค่า mV ในบัฟเฟอร์ตัวที่สอง เช่น mV เมื่อวางในบัฟเฟอร์ pH 4.0
- ให้คำนวณความแตกต่าง mV สัมบูรณ์ระหว่างบัฟเฟอร์ทั้งสอง
- หารค่านี้ด้วยความแตกต่างของหน่วย pH ระหว่างบัฟเฟอร์ (ตัวอย่าง: ความแตกต่างของหน่วย pH ระหว่างบัฟเฟอร์ 7.01 และบัฟเฟอร์ 4.01 คือ 7.01-4.01=3)
- ในการแปลงผลลัพธ์นี้เป็นเปอร์เซ็นต์ความลาดชันของอิเล็กโทรด ให้หารความลาดชันของอิเล็กโทรดด้วยความลาดชันสูงสุดตามทฤษฎี (59.16 mV/หน่วย pH ที่อุณหภูมิ 25°C) แล้วคูณด้วย 100
สูตรคำนวน %Slope
สูตรการคำนวณ
ตัวอย่างที่ 1: อิเล็กโทรดในบัฟเฟอร์ pH 7.0 สร้างแรงดันไฟฟ้า -15 mV เมื่อวางในบัฟเฟอร์ pH 4.0 อิเล็กโทรดจะสร้างแรงดันไฟฟ้า +60 mV
วิธีการคำนวณ: ความแตกต่างสุทธิระหว่างบัฟเฟอร์ทั้งสองคือ +160 mV – (-15 mV) = +175 mV ซึ่งจะถูกหารด้วย 3 ได้เท่ากับ 58.33 mV จากนั้นจึงหารด้วย 59.16 ได้ผลลัพธ์ 0.986 จากนั้นคูณด้วย 100 เพื่อให้ได้เปอร์เซ็นต์ความลาดชัน 98.6% เป็นค่าที่ดีแสดงว่าหัววัดนี้ยังยอมรับได้
ตัวอย่างที่ 2: วางหัววัดอิเล็กโทรดในบัฟเฟอร์ pH 7.0 สร้างแรงดันไฟฟ้า +15 mV ในขณะที่ใน pH 4.0 อิเล็กโทรดจะสร้างแรงดันไฟฟ้า +160 mV
วิธีการคำนวณ: ความแตกต่างสุทธิคือ 145 mV ซึ่งจะถูกหารด้วย 3 ได้เท่ากับ 48.33 mV จากนั้นจึงหารด้วย 59.16 ได้ผลลัพธ์ 0.817 จากนั้นคูณด้วย 100 เพื่อให้ได้เปอร์เซ็นต์ความลาดชัน 81.7% เป็นค่าที่ไม่ดีหัววัดไม่มีความแม่นยำเกินมาตรฐานจำเป็นต้องเปลี่ยน
ความสำคัญของ Slope หรือความชันในเครื่องวัดค่า pH
ความชันเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการกำหนดความแม่นยำของเครื่องวัดค่า pH หากความชันเบี่ยงเบนไปจากค่าในอุดมคติอย่างมีนัยสำคัญ การอ่านค่า pH จะไม่แม่นยำ
ความชันอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงสภาพของหัววัดอิเล็กโทรด อุณหภูมิของสารละลาย และคุณภาพของบัฟเฟอร์สำหรับการสอบเทียบ การตรวจสอบและปรับความชันระหว่างการสอบเทียบช่วยให้มั่นใจได้ว่าเครื่องวัดค่า pH จะให้การวัดที่แม่นยำ
โชคดีที่เทคโนโลยีทำให้ชีวิตง่ายขึ้น ในเครื่อง pH meter รุ่นราคาสูงจะแสดงค่า Offset และ %Slope ของ pH meter เพื่อหลีกเลี่ยงการคำนวน และให้ผู้ใช้ตรวจสอบคุณภาพของหัววัดก่อนการใช้งานดังแสดงดังรูป ซึ่งมีค่า Slope อยู่ที่ 99.9% อยู่ในช่วงที่ดีเยี่ยม
