pH મીટર : દ્રાવણની હાઇડ્રોજન આયન(H+)-સાંદ્રતા (acidity) માપવા માટેનું સાધન. કોષનું વિદ્યુત-ચાલક બળ (electromotive force, e.m.f.) માપવા માટે પોટેન્શિયૉમીટર તરીકે પણ તે વાપરી શકાય છે. સાધનના ચંદા (dial) ઉપર pH અને મિ.વોલ્ટ બંને એકમો દર્શાવતા આંકા હોય છે. માપક્રમની પરાસ (range) pH મૂલ્યો માટે 0 થી 14 pH અને ઈ.એમ.એફ. માટે 0થી 1400 મિ. વૉલ્ટ હોય છે. દરેક કાપો 0.02 pH એકમ કે 2 મિ. વૉલ્ટ સુધીની ચોકસાઈ ધરાવે છે. પ્રત્યક્ષ વાચન (direct reading)-pH મીટર અંકીય (digital) અથવા કાંટા(needle)વાળાં એમ બે પ્રકારનાં હોય છે. અંકીય pH મીટર દ્રાવણના pH અથવા કોષના ઈ.એમ.એફ.નું મૂલ્ય સીધું જ આંકડા રૂપે પ્રદર્શિત કરે છે. કાંટાવાળા pH મીટરમાં કાંટો અથવા સોય ચંદા ઉપર જે તે આંકડા પર આવીને મૂલ્ય બતાવે છે. માપક્રમ(scale)ના વિસ્તરણ દ્વારા pH મૂલ્ય 0.001થી 0.005 એકમ સુધી વાંચી શકાય છે.
સામાન્ય રીતે જલીય દ્રાવણોની H+ સાંદ્રતા એસિડિક દ્રાવણો માટે 1 Mથી માંડીને આલ્કલાઇન દ્રાવણો માટે 1 x 10-14M સુધીની જોવા મળે છે. 10ના ઘાતાંક તરીકે આ મૂલ્યો દર્શાવવાનું અનુકૂળ નહિ લાગવાથી 1909માં સોરેન્સને pH માપક્રમ તરીકે ઓળખાતો એક માપક્રમ આપ્યો. તે મુજબ
pH = log [H+] ……….([H+] = હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતા અહીં pH પદ (term) એ સવલતભરી ગાણિતિક સંજ્ઞા છે.
આ દૃષ્ટિએ જોતાં જલીય દ્રાવણો માટે pHનો વિસ્તાર 0થી 14 જેટલો થતો હોવાથી pH મીટરના ચંદા પરના માપક્રમનો વિસ્તાર 0થી 14 જેટલો હોય છે. સંદર્ભ-બફર તરીકે વપરાતાં ઘણાંખરાં દ્રાવણોની ચોકસાઈની મર્યાદા (± 0.02 pH એકમ) અને પ્રવાહી-સંપર્કસ્થાન (liquid junction) વીજવિભવના ફેરફારો લક્ષમાં લેતાં ± 0.02 pH એકમની પુનરુત્પાદ્યતા (reproducibility) પ્રાપ્ત કરવા એક એવું સાધન જોઈએ કે જે 1.2 mV સુધી સંવેદી અને પુનરુત્પાદ્ય હોય. વળી માપન દરમિયાન વીજધ્રુવની સપાટી આગળ આયનોની સાંદ્રતાના ફેરફારો ટાળવા હોય અને pH-કોષના અંતર્નિહિત (inherent) અવરોધમાં વોલ્ટેજપાત(voltage drop)ને લીધે કોઈ ક્ષતિ ઉત્પન્ન થવા દેવી ન હોય તો માપન દરમિયાન નહિવત્ વીજપ્રવાહ વપરાવો જોઈએ. ઉચ્ચ અવરોધ ધરાવતા કાચના વીજધ્રુવો વાપરવામાં આવે તો પ્રવાહ 10-12 એમ્પિ. અથવા તેથી ઓછો વહેતો હોય છે. આવે વખતે સાદું પોટેન્શિયૉમીટર વાપરી શકાતું નથી. તેવે વખતે માપનો માટે વીજધ્રુવોને ઉચ્ચ નિવેશી અવરોધ (high input resistance) અથવા ઉચ્ચ પ્રતિબાધા (high impedance) ધરાવતાં હોય તેવાં વિશિષ્ટ ઇલેક્ટ્રૉમીટર (દા.ત., વૅક્યુમ ટ્યૂબ વૉલ્ટમીટર, VTVM) સાથે જોડવાં જરૂરી બને છે. આવાં pH મીટર બે પ્રકારનાં હોય છે : (i) શૂન્યબિંદુ (null point) pH મીટર, અને (ii) પ્રત્યક્ષ વાચન pH મીટર.
શૂન્યબિંદુ pH મીટર : આ પ્રકારના pH મીટરનો મૂળભૂત પરિપથ (circuit) નીચેની આકૃતિમાં દર્શાવ્યો છે.
શૂન્યબિંદુ pH મીટરનો મૂળભૂત પરિપથ
કોષના વીજધ્રુવો (x માનક; y = અજ્ઞાત કોષ) રાબેતા મુજબ પોટેન્શિયૉમીટર સાથે જોડવામાં આવે છે. ગૅલ્વેનૉમીટરનાં જોડાણ (A અને B) ઇલેક્ટ્રૉમીટરના ટ્રાયોડની ગ્રિડ સાથે વારાફરતી જોડી શકાય છે. વાલ્વની સંવેદનશીલતા વધુ મળે તે માટે ગ્રિડને અભિનત (biased) કરવામાં આવે છે (Vg). બૅટરી (D) અને અવરોધ (R) વડે ટ્રાયોડના ઍનોડ પરિપથમાંના ગૅલ્વેનૉમીટરની સોય શૂન્ય કોણાવર્તન (deflection) બતાવે તેવી ગોઠવણી કરવામાં આવે છે. આ વખતે Cને A અથવા B સાથે જોડવામાં આવે છે. A અને B વચ્ચેનો વિભવ-તફાવત (potential difference, p.d.) અસ્તિત્વમાં હોય તો Cના A સાથેના જોડાણને બદલે Cનું B સાથેનું (અથવા એથી ઊલટું) જોડાણ ગૅલ્વેનૉમીટરમાં કોણાવર્તન બતાવે છે. પ્રમાણભૂત (માનક) (standard) કોષ, અને તે પછી અજ્ઞાત ઈ.એમ.એફ.વાળા કોષને વારાફરતી જોડી ટપારક (tapping) પોટેન્શિયૉમીટર એવી રીતે ગોઠવવામાં આવે છે કે જેથી ગૅલ્વેનૉમીટર શૂન્ય કોણાવર્તન બતાવે. આ રીતે કોષનું ઈ.એમ.એફ. માપી શકાય છે.
માપેલા વોલ્ટેજને સીધું હાઇડ્રોજન આયન સાંદ્રતા સાથે સાંકળી શકાતું ન હોવાથી pH દર્શાવતા માપક્રમને કાચ તથા સંદર્ભ-વીજધ્રુવ યુગ્મ માટે pH કોષના ઈ.એમ.એફ.ને નીચેના સંબંધના આધારે અંકિત કરવામાં આવ્યું હોય છે :
pH = pHs + (E – Es) / 0.000198T
અહીં T એ તાપમાન (0K), જ્યારે E અને Esએ નીચેના pH કોષના ઈ.એમ.એફ. છે :
|
H+નું અનુલક્ષીને |
અજ્ઞાત, અથવા |
ક્ષારસેતુ |
સંદર્ભ-વીજધ્રુવ |
| પ્રતિવર્તી વીજધ્રુવ |
માનક (s) |
||
|
બફર-દ્રાવણ |
કોષમાં પ્રથમ અજ્ઞાત અને પછી પ્રમાણભૂત (માનક) સંદર્ભ-દ્રાવણ [જાણીતી pH કિંમત(pHs)વાળું દ્રાવણ] લેવામાં આવે છે.
આ સંબંધ એ ધારણા પર આધારિત છે કે કાચ-વીજધ્રુવ સમુચ્ચય (assembly) માટે બાહ્ય અને આંતરિક ધ્રુવો એક જ જાતના અને સરખી સાંદ્રતાવાળા હોય છે. 250 સે. તાપમાને દેખાતો મિ.વૉલ્ટ/pH ઢાળ (slope) pH એકમદીઠ 59.15 mVનો હશે. pH મીટરનું તાપમાન પ્રતિકારિત્ર (compensator) pH મીટરની pH એકમની વ્યાખ્યા 00 સે.એ. 59.20 mVથી 600 સે.એ. 66.10 mV સુધી બદલી શકે છે. દ્રાવણનું જે તાપમાન હોય તે તાપમાને pH મીટરની તાપમાન સમાયોજન (adjustment) મૂઠ (કળ, knob) ગોઠવવાથી તે સંવેદનશીલતા-અનુક્રિયા (response) mV/pH એવી રીતે ગોઠવે છે કે તે 2.303 RT/F બરાબર થાય (F = ફૅરેડે; 1F 96500 કુલંબ).
pH મીટરને ‘અંકના’ (calibrate) મૂઠ વડે બફર-દ્રાવણનું જે મૂલ્ય હોય તે બતાવે તેમ ગોઠવવામાં આવે છે. પછી માનક દ્રાવણને બદલે અજ્ઞાત દ્રાવણમાં વીજધ્રુવો મૂકી તેનું pH મૂલ્ય માપવામાં આવે છે. જ્યારે અજ્ઞાત દ્રાવણનું મૂલ્ય તટસ્થતા(pH = 7.0)ની આસપાસ માપવામાં આવે ત્યારે વાચનો માટે થોડો સમય લાગે છે, કારણ કે દ્રાવણ નિર્બળ રીતે સમતોલ થયેલું (poised) હોઈ સ્થાયી વાચન માટે સમય લાગે છે. દ્રાવણમાં કાચ ઓગળી વીજધ્રુવની આસપાસના દ્રાવણને આલ્કલાઇન ન બનાવે માટે આવે વખતે દ્રાવણને હલાવતા રહેવું પડે છે.
આ પ્રકારના પરિપથ વડે થતાં માપનોની મર્યાદા સરકતા તાર(slidewire)ની ચોકસાઈ કે જે ઓછામાં ઓછી 0.1 % જેટલી હોય છે તેના વડે નિર્ણીત થાય છે.
વધુ વિકસિત સાધનો પરખની સંવેદનશીલતા વધારવા વધુ સગવડ ધરાવતાં હોય છે. આ ઉપરાંત તેઓ પરિપથમાં તાપમાનના ફેરફારો, શૂન્ય-અપવાહ ત્રુટિ (zero drift error) અને વાચન-માપક્રમના મિલીવોલ્ટમાં કે pH એકમોમાં માનકીકરણ (standardisation) અંગે વધારાની સગવડ ધરાવે છે.
પ્રત્યક્ષ વાચન (direct reading) pH મીટર : સીધા મુખ્ય તાર (mains) ઉપર સંચાલિત pH મીટર હવે વધુ વપરાય છે. તે મૂળભૂત રીતે તો ઉચ્ચ નિવેશી અવરોધ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રૉનિક મિલીવૉલ્ટમીટર જ છે. આવાં સાધનોની મૂળગત સ્થિરતા (basic stability) એવી હોય છે કે તેમની રોજ-બ-રોજની ચોકસાઈ 24 કલાક માટે ± 0.02 pH જેટલી રહે છે. આથી વારંવાર બફર-દ્રાવણ વાપરી માનકીકરણ કરવું પડતું નથી. આવાં સાધનો સંપૂર્ણપણે સ્વયંસંચાલિત તાપમાન પ્રતિકારિત્ર ધરાવે છે, જે સઘળાં તાપમાનોએ ચોક્કસ વાચનની સગવડ કરી આપે છે. કેટલાંક સાધનોમાં રેખાચિત્ર-અંકિત્ર (chart recorder) સાથે સીધા જોડાણની પણ વ્યવસ્થા હોય છે.
આવાં pH મીટરો કાચ અને સંદર્ભ-વીજધ્રુવ(reference electrode)-યુગ્મ માટે વોલ્ટેજ- એકમોમાં અંકિત થયેલાં હોય છે તથા pH દર્શાવતાં હોય છે. તે pH કોષના ઈ.એમ.એફ.ના નીચેના સંબંધ પર આધારિત હોય છે :
E = k – KT (pH)
આ સમીકરણ – KT ઢોળાવ અને આંતરછેદ (intercept) k ધરાવતી સીધી રેખા માટેનું છે. અહીં વીજધ્રુવ અને તેનો સંદર્ભ-વીજધ્રુવ શૂન્ય વોલ્ટે સમતાપી (isothermal) બિંદુ ધરાવતા હોવા જોઈએ. આ માટે કાચના વીજધ્રુવમાં અંદરનું બફર-દ્રાવણ એવું વાપરવામાં આવે છે કે જેના pH મૂલ્યનો તાપમાન સાથેનો ફેરફાર આંતરિક અને બાહ્ય સંદર્ભ-વીજધ્રુવોના તાપમાનના ફેરફારોને સમતોલ (compensate) કરે. ઈ.એમ.એફ. / pHના યોગ્ય ઢોળાવ માટે KT અવયવનું 25o સે.એ. 59.16 મિ.વો. પ્રતિ pH એકમ પ્રમાણે ઢાળ-નિયંત્રક દ્વારા સમાયોજન કરવામાં આવે છે.
હાલમાં વિવિધ પ્રકારના આયનવૃત્તિક (ion-selective) વીજધ્રુવો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. જેમ પ્રણાલિકાગત (conventional) કાચ-વીજધ્રુવના કાચની ઝિલ્લી(membrane)નો વિભવ H+ આયનોની સાંદ્રતા પરત્વે પસંદગીમૂલક હોય છે તેમ આવા વીજધ્રુવોનો ઝિલ્લી-વિભવ (membrane potential) કોઈ એક આયન અથવા આયનો પરત્વે પસંદગીમૂલક (selective) હોય છે. કાચના સાદા વીજધ્રુવની માફક આયનવૃત્તિક વીજધ્રુવોનો વિદ્યુત-અવરોધ વધુ હોવાથી તેમને વાપરતી વખતે પણ વિશિષ્ટ સગવડવાળા pH મીટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
જ. દા. તલાટી