Sonde pH - Page d`accueil

Projet Baccalauréat 2010
Titro-Vino
Le pH et sa mesure
1-Importance du pH
C’est en 1909 que S.P.L. Sorensen découvre le concept moderne de pH en étudiant les enzymes
de la canne à sucre.
Du pH dépend notamment la prolifération de micro-organismes ; en particulier, dans les piscines
ou dans les réservoirs d’eau potable où le pH doit être compris constamment entre deux valeurs
limites.
2-Notion du pH
« pH » est l’abréviation de « pondus hydrogenii » et sert à définir la concentration en ions
hydrogène H+ ou ions hydrogène hydratés : « hydronium » H3O+ .
L’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse est liée à sa concentration en H+ ou H3O+ ; Celleci est toujours faible, c’est pour cela que l’utilisation de l’échelle logarithmique est plus
appropriée pour exprimer le pH.
pH = - log [H+]
log : logarithme décimal
[H ] : concentration en ions H+ou H3O+
+
Exemple de l’eau pure : [H+] = 10-7 d’où pH = - log [H+] = -log 10-7 = 7
pH = 7 on dit que l’eau pure est neutre
En aquariophilie , l’eau douce est telle que : 6.0 < pH < 8.0
l’eau de mer est telle que : 8.1 < pH < 8.3
3-Echelle de pH
Dans une solution acide, on a : [H+] > 10-7 ce qui implique pH < 7
exemple : acide chlorhydrique dilué : HCl → H+ + Cl Dans une solution basique, on a : [H+] < 10-7 ce qui implique pH > 7
exemple : potasse diluée : KOH → K+ + OH acide
0
citron soda
Ressource élève Seq 5 pH
basique
7
lait
14
pH
eau de Javel
page1/9
Projet Baccalauréat 2010
Titro-Vino
4-Mesure de pH
Plusieurs méthodes sont utilisées pour mesurer le pH :
La mesure approchée du pH peut se faire par la méthode colorimétrique :
Avec un indicateur naturel
Avec du papier pH
La mesure précise du pH s’effectue par la méthode potentiométrique à l’aide d’un dispositif à
deux électrodes, l’une dite indicatrice, l’autre de référence et souvent combinées en une seule.
Quand les deux électrodes sont immergées dans la solution, un effet de pile crée une différence
de potentiel (ddp). On démontre que la ddp a pour expression (équation de Nernst) :
E = Eind – Eref = E0 + R.T ln[H + ]
nF
avec : E : ddp mesurée
Eind : ddp de l’électrode indicatrice
Eref : ddp de l’électrode de référence
E0 : potentiel « normal » du couple d’électrodes
R : constante des gaz parfaits
R = 8,3144 J/K
T : température absolue en kelvin (K)
F : constante de Faraday
F = 96485 coulombs
n : nombre d’électrons échangés dans le couple Red/Ox
(exemple : n = 1 pour le couple Ag/Ag+ ou le couple H2/H+)
En convertissant le logarithme népérien en base 10 on obtient la relation (pour n = 1):
E =E 0 +
soit
2,3.R.T
2,3.R.T
log10[H+] =E 0 −
pH
F
F
E = a – S.pH
Ressource élève Seq 5 pH
S : sensibilité de l’électrode en mV/unité pH
(Dépend de la température).
a : ddp pour laquelle le pH = 0
page2/9
Projet Baccalauréat 2010
Titro-Vino
5-Constitution des électrodes
L’électrode indicatrice (en contact direct avec la solution à étudier) et l’électrode de référence
peuvent être de composition variée.
L’électrode indicatrice la plus courante est dite à membrane de verre (verre de composition
spéciale ) de telle façon que cette électrode soit poreuse pour les ions H+.
L’électrode de référence la plus simple à mettre en œuvre est constituée d’un fil d’argent (couple
oxydo-réducteur Ag/Ag+) recouvert de chlorure d’argent (AgCl) baignant dans une solution
d’ions chlorure (K+, Cl-), liquide ou gélifiée. (voir schéma ci-après)
6-Electrodes combinées (cas de la sonde utilisée dans le thème)
L’électrode indicatrice et l’électrode de référence sont enchâssées dans un
ensemble unique, pour une meilleure commodité d’emploi et pour réaliser une
uniformité de température.
On parvient même à réaliser dans un ensemble unique les deux électrodes
ainsi qu’une sonde de température au platine.
Ressource élève Seq 5 pH
page3/9
Projet Baccalauréat 2010
Titro-Vino
7-Maintien de la propreté des électrodes
•
La première précaution à observer est de maintenir l'électrode dans une solution de
conservation afin de la maintenir hydraté (solution de KCI 1mol/L pour les électrodes
combinées), indispensable pour assurer un bon échange ionique à l'interface membrane
de verre/solution mesurée, donc une bonne rapidité de réponse et une bonne pente.
•
La deuxième précaution essentielle pour la satisfaction de l'utilisateur consiste à veiller
au bon état de propreté de la membrane sensible.
•
Après chaque mesure, rincer soigneusement l'électrode au moyen d'eau
déminéralisée (distillée ou osmosée), afin d'éliminer toutes les particules adhérentes,
et l'essuyer en la tamponnant avec un papier absorbant doux.
Les facteurs suivants limitent la durée de fonctionnement d'une électrode de verre :
•
les températures élevées, au-delà des limites préconisées par le fabricant, en raison
principalement des contraintes mécaniques qu'elles imposent au verre.
•
les chocs thermiques brutaux, qui peuvent provoquer des fêlures.
•
les solutions qui attaquent le verre : solutions alcalines concentrées, surtout à chaud,
solutions de fluorures en milieu acide.
•
les substances abrasives, comme certaines particules éventuellement présentes dans
l'échantillon, qui projetées sur la surface du verre par l'agitation mécanique de la solution,
peuvent provoquer des dommages par abrasion ou choc mécanique.
8-Caractéristiques électriques de la sonde
•
ddp E = a – S.pH = S.(pHo- pH) en posant a = S.pHo
S est la pente réelle du système d'électrodes utilisées à la température de l'étalonnage et exprimée
en mV par unité pH (voir tableau page 5/9).
Pour notre sonde la pente théorique de électrode est de 57,14 mV par unité pH (T=18°C).
pH0 est la valeur du pH pour lequel les électrodes mesure une ddp de 0 mV.
Pour notre sonde pHo = 7.
•
•
•
La caractéristique principale de l’électrode de verre est sa très grande résistance de
sortie de l’ordre de 108 Ω et un courant de sortie très faible, ce qui nécessite un circuit
d’entrée (amplificateur d’instrumentation) de résistance d’entrée au moins égale à
1012 Ω .
L'étalonnage de la chaîne de mesure en pH-métrie, grâce à des solutions étalons, est
obligatoire avant de procéder à des mesures de pH sur des échantillons inconnus, car la
méthode utilisée est relative.
D'autre part, les caractéristiques des électrodes peuvent être différentes en fonction des
fabricants et des modèles, elles peuvent avoir une certaine dispersion dans une même
série et peuvent évoluer dans le temps en fonction des conditions d'utilisation.
Ressource élève Seq 5 pH
page4/9
Projet Baccalauréat 2010
Titro-Vino
L'étalonnage permet donc de faire coïncider les paramètres de calcul du pH-mètre aux
caractéristiques courantes de la ou des électrodes utilisées.
Procédure :
•
le réglage du premier point d'étalonnage est un décaleur de potentiel, qui déplace la droite
parallèlement à elle-même.
•
le réglage du deuxième point d'étalonnage est un correcteur de gain ou de pente, qui fait
pivoter la courbe autour du point de coordonnées (pH0, 0 mV). Ce réglage a le même
effet que le réglage du correcteur de température.
Ces précisions expliquent pourquoi il est préférable d'utiliser comme premier point
d'étalonnage, une solution étalon de valeur de pH proche 7.
9-Correction de la mesure en fonction de la température
On distinguera :
•
L'influence de la température sur la dilatation de l’échelle de pH, qui a pour
conséquence pratique le déplacement de la valeur de neutralité (pH 6,51 à 60 °C par
exemple pour l’eau pure).Il s’en suit une modification de pHo. D’autre part, la variation
de la valeur du pH des solutions étalon avec la température doit être connue avec
exactitude, ceci pour un bon étalonnage.
•
L'influence de la température sur les composants électroniques internes du pHmètre, qui est totalement négligeable.
•
L'influence de la température sur les potentiels des électrodes qui modifie fortement
le comportement, c'est à dire la réponse de l’électrode de verre. Il s’en suit une variation
de S en fonction de la température.
La température a une influence prépondérante sur les paramètres de l'étalonnage S et
pHo.
Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs chiffrées de la pente théorique d'une électrode de
verre en fonction de la température :
Température (°C)
0
5
10
15
Pente théorique S
(en mV par unité pH)
54,20
55,19
56,18
57,17(5) 58,17
59,16
Température (°C)
35
40
45
50
55
60
Pente théorique S
(en mV par unité pH)
61,14
62,13(5) 63,13
64,12
65,11
66,10
Ressource élève Seq 5 pH
20
25
page5/9