Величина рН характеризует качество большинства пищевых продуктов, этот показатель применяется для контроля биохимических процессов, происходящих при переработке и хранении пищевых продуктов. С активной кислотностью среды тесно связана жизнедеятельность микроорганизмов. Активная кислотность – концентрация свободных ионов водорода в растворе. рН определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода.
Концентрацию водородных ионов можно определить по потенциалу (потенциометрический метод), который возникает на границе различных электродов, помещенных в исследуемый раствор. При погружении электрода в раствор на границе электрод – раствор возникает электрический потенциал, так как ионы электрода переходят в раствор. Электрод (металл) заряжается положительно, а пограничный слой раствора – отрицательно.
Существует множество приборов определения активной кислотности (рН) продовольственных товаров, которые основаны на измерении электродвижущей силы элемента, состоящего из электрода сравнения с известной величиной потенциала и индикаторного электрода, потенциал которого обусловлен концентрацией ионов водорода в испытуемом растворе.
К таким приборам относятся: рН-метр, ионометр, иономер, портативные рН-метры, цифровые рН-метры и др.
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов – измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В наиболее современных моделях портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод.
При помощи рН-метра измеряют разность потенциалов между двумя электродами, помещенными в раствор. Основа – электрод, потенциал которого зависит от рН. Чаще всего используют стеклянный электрод, принцип действия которого основан в том, что некоторые типы боросиликатного стекла проницаемы для ионов Н+, но непроницаемы для любых других катионов или анионов. Если тонкий слой такого стекла поместить между двумя растворами с различными концентрациями ионов Н+, эти ионы будут диффундировать сквозь стекло из раствора с высокой концентрацией ионов водорода в раствор с низкой концентрацией. Стеклянный электрод содержит 0,1-молярный раствор соляной кислоты в контакте со стеклом, проницаемым для Н+ - ионов. К измерительному прибору его присоединяют проволокой, покрытой хлоридом серебра и погруженной в соляную кислоту (рис.1).
Цепь замыкается при погружении в раствор электрода сравнения, который содержит пасту Hg/HgCl2 в насыщенном растворе хлорида калия. Хлорид калия служит для создания контакта между Hg/HgCl2 - полуэлементом и раствором, в котором проводят измерение.
1 – измерительный прибор; 2 – электрод сравнения; 3 – отверстие для заполнения электрода хлоридом калия; 4 – каломель (Hg/HgCl2 в насыщенном растворе хлорида калия); 5 – кристаллы хлорида калия; 6 – пористая мембрана; 7 – раствор; 8 – стекло, проницаемое для ионов водорода; 9 – 0,1-молярный раствор соляной кислоты; 10 – серебряная проволока, покрытая хлоридом серебра; 11 – стеклянный электрод
Рисунок 1- Стеклянный электрод и электрод сравнения
Такой полуэлемент помещают в стеклянный корпус, непроницаемый для Н+ - ионов (его потенциал не зависит от рН). Электрический контакт между раствором хлорида калия внутри электрода сравнения и измеряемым раствором осуществляется с помощью тонкой нити или капилляра в стеклянном корпусе. Напряжение, измеряемое такой системой, является разностью потенциалов между стеклянным электродом и электродом сравнения.
Схема pH-метра проста: обычно он состоит из операционных усилителей обращения конфигурации, дающих напряжение в цепи около 17 в. Входное сопротивление прибора должно быть очень высоким — примерно от 20 до 1000 МОм, что обусловлено высоким сопротивлением зонда — стеклянного электрода, являющегося наиболее ответственным и важным элементом всех pH-метров. Инвертирующий датчик-усилитель преобразует малое напряжение зонда (0,059 вольт / pH) пропорционально единицам pH, которые затем вновь преобразуются до необходимого напряжения для активизации вольтметра, отображающего показания на шкале pH. Эти методические и схемотехнические приемы дают возможность проводить измерения ЭДС с высокой точностью вне зависимости от влияния внешних электростатических и электромагнитных помех, при любых, даже очень малых, значениях удельной электропроводности (УЭП) среды, вплоть до теоретически чистой воды. Для контроля и настройки режимов pH-метра используется пульт, соединённый с блоком электронного преобразования.
При нейтральном pH (pH = 7) напряжение на выходе датчика равно 0 вольт. 0 * 17 + 7 = 7.
При основном pH, напряжение на выходе датчика варьируется от 0 до 0,41 вольт (7 * 0,059 = 0,41). Например, pH 10 (на 3 ед. выше нейтрального), 3 * 0,059 = 0,18 вольт), выход усилителя — 0,18 * 17 + 7 = 10.
При кислотном pH, напряжение на выходе датчика колеблется от −0,41 вольт до −0. Так, например, pH 4 (3 ед. ниже нейтрального), −3 * 0,059 = −0,18 вольт, выход усилителя — −0,18 * 17 + 7 = 4.
Две главные настройки выполняются при калибровке — устанавливается усиление и смещения инвертирующего усилителя.
Один из видов рн-метра изображен в Приложении 1.
Принцип работы с прибором рН-метром несложен. Прибор включают в сеть и прогревают не менее 30 мин. Перед проведением испытаний осуществляют проверку прибора по стандартным буферным растворам с рН 3,57; 4,00; 5,00; 6,88; 9,22 при температуре 200С по прилагаемым к приборам инструкциям. После проверки электроды тщательно промывают дистиллированной водой.
Затем концы электродов погружают в предварительно подготовленный испытуемый раствор, и прибор указывает установившееся значение рН.
Электронным милливольтметром можно определить рН контролируемого раствора измеряя электродвижущую силу электродной системы, шкала которого градуирована в единицах рН.
Также рН можно измерить при помощи индикаторной бумаги при смачивании ее с испытуемым раствором и на сравнении полученной окраски со шкалой сравнения. Данная величина рН устанавливается ориентировочно.
Измерение рН колориметрическим методом основано на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от рН раствора. Здесь используется универсальный индикатор, который состоит из смеси индикаторов, охватывающих зону перехода окраски в области рН от 3,0 до 11,0. Универсальный индикатор представляет собой смесь, состоящую из 0,1 г метилового красного, 0,2 г бромтимолового синего, 0,4 г фенолфталеина и растворенную в этаноле в мерной колбе вместимостью 500 см3.
Колориметрический метод используют для установления приближенного значения рН неизвестного раствора с погрешностью 1,0-0,5.