Nếu nó chuyển sang màu hồng, tôi nghĩ nó là axit – có thể bạn đã được học những câu nói đó ở trường, nếu nó chuyển sang màu xanh lam, nó là chất kiềm. Bản chất đo axit hay kiềm ở câu nói đó là nhờ giấy quỳ tím, một việc mà hầu hết mọi người được học ở trường. Tương đối dễ dàng với việc so sánh màu mẩu giấy đó với thang đo nồng độ pH. Nhưng đôi khi phép đo đó chỉ mang tính chất tương đôi. Thử xem xét những ví dụ mang tính quy mô hơn như đo nồng độ với một mảnh đất hay một ao cá, bởi nếu làm sau nồng độ của những nơi đó, mọi sinh vật bạn đang nuôi sẽ không thể sống được và việc đó không thể chấp nhận được. Vì thế mà nhiều người lựa chọn việc đầu tư vào máy đo pH trực tiếp. Và máy đo pH là gì, nó hoạt động như thế nào? Chúng ta cùng xem xét!

Vậy độ chua là gì?

Sẽ là cần thiết nếu bạn đang tìm hiểu về máy đo độ chua hay là pH, bạn cần phải biết nó là gì trước khi bắt đầu. Hầu hết chúng ta đang có khái niệm mơ hồ về axit và bazo nhưng chưa có khái niệm thực sự về nó. Chúng có thể làm cháy da chúng ta hoặc có thể ăn được chúng dù được gọi là axit, nhưng không phải bất kỳ axit nào cũng vậy, một số axit có tính axit an toàn và không gây hại gì.

Axit và kiềm đơn giản là các chất hoá học hoà tan trong nước để tạo thành các ion (nguyên tử có nhiều hoặc ít electron). Một axit khi hoà tan trong nước tạo thành các ion tích điện dương (H+), trong đó axit mạnh tạo thành nhiều ion hydro hơn axit yếu. Một chất kiềm hay bazo hoà tan trong nước tạo thành các ion hyroxit tích điện âm (OH-). Chất kiềm mạnh có nhiều OH- vẫn có khả năng đốt cháy da bạn như những axit mạnh. Vậy độ chua hay còn được hiểu là số lượng nhiều hay ít của các ion trong axit hoặc bazo đó.

Độ pH thực sự có ý nghĩa gì?

Độ pH của một chất là chỉ số cho biết nó tạo thành nhiều hay ít các ion hydro trong một thể tích nhất định. Và không có sự thống nhất tuyệt đối nào về việc viết tắt của “pH”. Theo mặt toán học thì pH được định nghĩa là logarit nghịch đảo của hoạt độ ion hydro trong dung dịch. Và nó có ý nghĩa gì?

Thực ra nó khá đơn giản. Giả sử bạn có một chất lỏng và bị rơi vào bể cá. Bạn muốn biết chất lỏng đó có an toàn với những con cá của bạn hay không. Bạn dùng một máy đo nồng độ pH và đặt nó vào trong bể. Và máy sẽ đo nồng độ pH của hỗ hợp nước trong bể lúc đó, nếu hỗn hợp nước có tính axit thì sẽ có rất nhiều ion hydro hoạt động mà không có nhiều ion hydroxit, còn nếu nước có tính kiềm thì sẽ ngược lại. Giả sử máy đo nồng độ pH trong bể bằng 1 tức là nước đang có tính axit và cần tới 10 luỹ thừa 6 các ion hydroxit nữa thì nước có độ pH trung tính là 7. Và những chất có độ kiềm ứng với độ pH là 14. Vậy những con số này bắt nguồn từ đâu?

Giả sử chúng ta tự phát minh ra thang đo độ axit và bắt đầu ở mức 1 cho độ axit mạnh nhất. Sau đó những thứ trung tính hơn và ít các ion hydro hơn sẽ ứng với 1/1 triệu hay 10 luỹ thừa -6 số ion hydro đó. Với một dung dịch có tính kiềm thì con số sẽ là 10 luỹ thừa -13. Để xử lý vấn đề về các dấu trừ  thì bạn có thể logarit nồng độ đó lên, hay hiểu một cách đơn giản là pH xem xét số lượng khổng lồ của các ion hydro trong dung dịch đó, lấy luỹ thừa 10 và bỏ dấu trừ. Đối với một chất kiềm sẽ có độ pH là 14 và chất trung tính sẽ có độ pH là 7. Những chất có tính kiềm mạnh hay còn được gọi là có tính axit yếu.

Máy đo nồng độ pH hoạt động như thế nào??

Thông thường chúng ta sử dụng giấy quỳ để xem chất đó có tính axit hay bazo và xem nó với biểu đồ màu dung dịch, bạn đọc chúng mà không cần quan tâm đến số lượng các ion hydro ở trong đó. Nhưng máy đo pH bằng cách nào đó đo được nồng độ của các ion hydro trong dung dịch đó. Và nó làm điều đó như thế nào?

Dung dịch axit có nhiều ion hydro hơn hơn về tính vật lý thì tích điện dương nhiều hơn so với dung dịch kiềm, và điện dương có khả năng tạo dòng điện lớn hơn trong một số tính huống nhất định, vì thế các loại pin thường sử dụng axit để làm năng lượng. Máy đo pH cũng vậy, tận dụng tính điện đó và hoạt động giống như một vôn kế, đo điện áp được tạo ra bởi dung dịch có nồng độ mà chúng ta quan tâm và từ đó suy ra nồng độ pH của dung dịch.

Vậy máy đo nồng độ được làm từ gì?

Máy đo pH điển hình có hai thành phần cơ bản: bản thân máy đo và một đầu cảm biến để nhúng xuống dung dịch cần đo. Và để đo dòng điện chạy qua dung dịch đó thì bạn cần một mạch điện hoàn chỉnh và hai đầu điện cực để cho dòng điện có thể chạy qua đó. Có thể bạn sẽ thấy những loại máy có một đầu dò và 2 đầu dò. Yên tâm nó cũng cùng bản chất là hai điện cực mà thôi, loại một đầu dò được thiết kế gộp hai đầu vào một trục để có thẩm mỹ và bớt rườm rà hơn.

Các điện cực không giống như các điện cực điện kim loại bình thường. Nó được cấu tạo như một ống hoá chất nhỏ. Gồm phần vỏ bên ngoài bằng thuỷ tinh có chứa muối kim loại, bên trong chứa dung dịch kali clorua và một dây dẫn điện bằng bạc lơ lửng trong đó, phần còn lại là điện cực so sánh là một dây kali clorua lơ lửng trong dung dịch cần đo.

Cách hoạt động của nó như thế nào?

Kali clorua bên trong điện cực thuỷ tinh (được hiển thị ở đây có màu da cam) là một dung dịch trung tính có độ pH bằng 7, vì vậy nó chứa một lượng nhất định các ion hydro H+. Giả sử dung dịch bạn muốn đo không xác định (có màu xanh làm như hình) có tính axit cao, vì vậy có nhiều ion hydro hơn. Công dụng của điện cực thuỷ tinh là đo sự khác biệt về pH giữa dung dịch cam và dung dịch xanh lam bằng cách đo điện áp mà chúng tạo ra. Bởi chúng ta biết được độ pH của dung dịch cam nên chúng ta có thể tìm được độ pH của dung dịch xanh lam.

Để nói rõ hơn về cách thức nó hoạt động. Khi bạn nhúng hai điện cực vào dung dịch màu xanh lam, một số ion hydro của dung dịch màu xanh lam di chuyển về phía mặt ngoài của điện cực thuỷ tinh và thay thế một số ion kim loại bên trong đó, trong ion kim loại đó di chuyển từ điện cực thuỷ tinh ra dung dịch xanh. Và quá trình này được gọi là trao đổi ion và đó là chìa khoá cho cách hoạt động của điện cực thuỷ tinh. Quá trình cũng diễn ra tương tự với mặt trong của điện cực thuỷ tình và dung dịch cam. Do tính axit của 2 dung dịch trong và ngoài khác nhau nên lượng kim loại trao đổi cũng khác nhau nên lượng ion tích tụ trên 2 mặt của kim loại cũng khác nhau. Tạo nên sự chênh lệch điện thế giữa 2 mặt trong và ngoài của điện cực. Hiệu điện thể này rất nhỏ đôi khi chỉ đo được vài chục hay vài trăm mili vôn. Sự khác nhau giữa điện cực bạc và điện cực so sánh được hiển thị lên đồng hồ số

Các phép đo độ pH chính xác

Để máy đo pH được chính xác, chúng phải được hiệu chuẩn đúng cách, vì vậy chúng thường được kiểm tra trước khi sử dụng. Bằng cách nhúng chúng vào dung dịch đã biết trước độ pH và chỉnh máy đo sao cho phù hợp. Một số lưu ý quan trọng khác là các phép đo pH được thực hiện theo cách này phụ thuộc vào nhiệt độ. Một số máy đo có nhiệt kế tích hợp và tự động điều chỉnh các phép đo pH của riêng chúng khi nhiệt độ thay đổi. Đó là cách tốt nhất nếu sự dao động nhiệt độ có thể xảy ra khi bạn đang thực hiện đo. Ngoài ra bạn có thể tự sửa phép đo pH hoặc hiệu chỉnh thiết bị của bạn và thực hiện phép đo pH ở cùng một nhiệt độ.

Ai đã phát minh ra máy đo pH?

Chúng ta phải cảm ơn ai vì đã phát minh ra công cụ này? Đầu tiên, nhà hoá học người Đức đoạt giải Nobel Fritz Haber (1868-1934) và học trò của ông Zygmunt Klemensiewicz (1886–1963) đã phát triển ý tưởng điện cực thuỷ tinh vào nam 1909. Máy đo pH điện tử hiện đại được phát minh vào ¼ thế kỷ sau, vào năm 1934, khi nhà hoá học người Mỹ chemist Arnold Beckman (1900–2004) tìm ra cách nối điện cực thuỷ tinh với bộ khuếch đại điện áp để tạo ra một dụng cụ nhạy hơn nhiều. Ông đã được cấp bằng sáng chế vào tháng 10 năm 1936.