Comment fonctionne un PH Mètre ?
Lorsqu’un métal est mis en contact avec un autre, une différence de tension se produit en raison de leurs différences de mobilité électronique. Lorsqu’un métal est mis en contact avec une solution de sels ou d’acides, il en résulte un potentiel électrique similaire, ce qui a conduit à l’invention des piles. De même, un potentiel électrique se développe lorsqu’un liquide est mis en contact avec un autre, mais une membrane est nécessaire pour maintenir ces liquides séparés.
Fonctionnement d’un pH mètre électronique
Un pH-mètre mesure essentiellement le potentiel électrochimique entre un liquide connu à l’intérieur de l’électrode de verre (membrane) et un liquide inconnu à l’extérieur. Comme l’ampoule de verre mince permet principalement aux ions hydrogène agiles et petits d’interagir avec le verre, l’électrode de verre mesure le potentiel électrochimique des ions hydrogène ou le potentiel de l’hydrogène. Pour compléter le circuit électrique, une électrode de référence est également nécessaire. Notez que l’instrument ne mesure pas un courant mais seulement une tension électrique, mais une petite fuite d’ions de l’électrode de référence est nécessaire, formant un pont conducteur vers l’électrode de verre. Un pH-mètre ne doit donc pas être utilisé dans des liquides en mouvement de faible conductivité (il est donc préférable de mesurer à l’intérieur de petits récipients).
Le pH-mètre mesure le potentiel électrique (en suivant le dessin du pH-mètre dans le sens des aiguilles d’une montre) entre le chlorure mercurique de l’électrode de référence et son chlorure de potassium liquide, le liquide inconnu, la solution à l’intérieur de l’électrode de verre, et le potentiel entre cette solution et l’électrode d’argent. Mais seul le potentiel entre le liquide inconnu et la solution à l’intérieur de l’électrode de verre varie d’un échantillon à l’autre. Ainsi, tous les autres potentiels peuvent être étalonnés en dehors de l’équation.
L’électrode de référence au calomel est constituée d’un tube de verre avec un électrolyte de chlorure de potassium (KCl) qui est en contact intime avec un élément de chlorure mercurique à l’extrémité d’un élément KCL. Il s’agit d’une construction fragile, reliée par une pointe de jonction liquide en céramique poreuse ou en un matériau similaire. Ce type d’électrode n’est pas facilement “empoisonné” par les métaux lourds et le sodium.
L’électrode de verre est constituée d’un tube de verre robuste auquel est soudée une fine ampoule de verre. À l’intérieur se trouve une solution connue de chlorure de potassium (KCl) tamponnée à un pH de 7,0. Une électrode en argent avec une pointe en chlorure d’argent entre en contact avec la solution intérieure. Pour minimiser les interférences électroniques, la sonde est protégée par une feuille de protection, que l’on trouve souvent à l’intérieur de l’électrode en verre.
La plupart des pH-mètres modernes sont également équipés d’une sonde de température à thermistance qui permet de corriger automatiquement la température, puisque le pH varie quelque peu avec la température. Ils sont utilisés dans de nombreux domaines comme la boulangerie, la chimie, l’analyse de l’eau…
L’eau : une substance vitale
L’eau est LA substance la plus importante et la plus miraculeuse sur Terre. Ses molécules H-O-H forment une forme de boomerang avec l’extrémité O- légèrement négative et l’extrémité H2+ légèrement chargée positivement. Ces boomerangs chargés sont attirés les uns vers les autres, formant des îlots de cohésion, de sorte que l’eau forme un liquide à des températures où la vie prospère, alors qu’elle aurait dû être en réalité un gaz très volatil comme le sulfure d’hydrogène (H2S) qui a presque deux fois son poids moléculaire. À la surface de la Terre, l’eau se présente sous forme solide (glace), liquide (eau) et gazeuse (vapeur d’eau ou vapeur d’eau). Dans les régions froides, ces trois phases coexistent.
L’eau est également unique en ce sens qu’elle est à la fois un acide (avec des ions H+) et une lessive (avec des ions OH-). Elle est donc à la fois acide et basique (alcaline), ce qui la rend strictement neutre puisque le nombre d’ions H+ est égal à celui des ions OH-. En raison de sa forte cohésion, seules quelques molécules d’eau se dissocient (se divisent) en leurs ions constitutifs : les ions hydrogène (H+) et les ions hydroxyle (OH-). Les chimistes insisteraient sur le fait que les ions H+ sont en réalité des ions H3O+ ou des ions hydronium.
Sachant qu’une molaire d’eau pèse 18 grammes (1+1+16), soit 18 ml, et que cette quantité contient un très grand nombre de molécules [1], seules 0,1 millionième (10-7) mole sont dissociées dans un litre d’eau (pH=7). [2]
La différence de potentiel entre l’intérieur de l’électrode de verre et l’extérieur est causée par les oxydes de silicium présents dans le verre :
Si.O- + H3.O+ = Si.O.H+ + H2.O
Une fois que l’équilibre ionique est établi, la différence de potentiel entre la paroi du verre et la solution est donnée par l’équation :
E = R x T / ( F x ln( a ))
Où E= potentiel électronique (Volt), R= constante molaire du gaz 8,314 J/mol/ºK, F= constante de Faraday 96485,3 ºC, T= température en ºKelvin et a= activité des ions hydrogène (ions hydronium).
ln( a )= le logarithme naturel qui se convertit en logarithme décimal = 2,303 x log( a )
La combinaison R x T / ( 2,303 x F ) est d’environ 0,060 V (60 mV) par décuplement des ions hydrogène ou une unité de pH.
La plage de pH de 0 à 14 tient compte des activités de l’hydronium de 10 à 1E-14 mol/litre. Une mole d’eau pèse 18 grammes. Un pH = 7 correspond à une activité de l’hydronium de 1E-7 mol/litre (1E-7). Comme log( 10-7 ) = -7, l’échelle de pH ne tient pas compte du signe moins.
Même si les électrodes de verre à pH modernes ont connu des améliorations majeures, elles n’aiment toujours pas certaines substances pauvres en ions H+, comme les hydroxydes alcalins (NaOH et KOH), l’eau distillée pure, les substances de gravure comme le fluorure, les substances adsorbantes comme les métaux lourds et les protéines.
pH mètre digitaux
La plupart des pH-mètres modernes sont équipés de capteurs de température intégrés qui corrigent automatiquement l’écart de température pour donner des valeurs comme si elles étaient prises à une température standard de 25ºC. La lecture n’est pas influencée par la température à pH=7,00 mais en dehors de celle-ci par 0,003 par ºC. Ainsi, un pH pris à 5ºC (à 20º de 25ºC), indiquant 4,00 doit être corrigé à la baisse de 0,003 x 20 x 3,00 = 0,18. De même, une valeur de pH de 10,00 doit être corrigée à la hausse de cette quantité.
Entretien de l’appareil
L’entretien d’un pH-mètre dépend du type d’électrode utilisé. Étudiez les recommandations du fabricant. En cas d’utilisation fréquente, il est préférable de garder l’électrode humide, car l’hydratation d’une électrode sèche prend beaucoup de temps, ce qui s’accompagne d’une dérive du signal. Cependant, les pH-mètres modernes ne craignent pas que leurs électrodes s’assèchent, à condition qu’elles aient été rincées à fond à l’eau du robinet ou au chlorure de potassium. Lors d’une expédition de mesure d’eau de mer, le pH-mètre peut être laissé humide avec de l’eau de mer. Toutefois, pendant des périodes prolongées, il est recommandé de l’humidifier avec une solution de chlorure de potassium à pH=4 ou dans le tampon d’étalonnage acide à pH=4,01. Les pH-mètres n’aiment pas être laissés dans de l’eau distillée.
Notez qu’une sonde de pH maintenue humide dans une solution acide, peut influencer les résultats lorsqu’elle n’est pas rincée avant d’être insérée dans le flacon de test. N’oubliez pas qu’un liquide de pH=4 a 10 000 ions hydrogène de plus qu’un liquide de pH=8. Ainsi, une seule goutte de pH=4 dans un flacon mesurant 400 gouttes de pH=8 perturbe vraiment les mesures ! Rappelez-vous également que les solutions d’étalonnage sont constituées de tampons chimiques qui “essaient” de maintenir le pH à un niveau constant, de sorte que la contamination de votre flacon de test par un tampon est vraiment grave.
