La misurazione del valore di Ph

By ammin in Acquario Marino on 28 giugno 2013 - No Comments

ph Non è per forza necessario studiare chimica per aver sentito parlare di acidi e soluzioni alcaline. Come acquariofili marini conosciamo per esempio l’anidride carbonica (CO2), che disciolta nell’acqua forma un acido, l’acido carbonico, oppure l’acqua calcarea, che con il suo alto valore di pH fa parte delle soluzioni alcaline. Una esatta definizione del concetto di “valore di pH”, però, è forse poco noto alla maggioranza. Un “logaritmo decadico negativo della concentrazione degli ioni di idrogeno” non è propriamente quello in cui ci imbattiamo nel linguaggio di tutti i giorni. Avviciniamoci all’argomento in maniera più semplice. Per prima cosa, però, è necessaria ancora una precisazione: il fatto che per le illustrazioni di questo articolo io abbia utilizzato esclusivamente prodotti della ditta Aqua Medic dipende dal fatto che lavoro nel reparto sviluppi di tale azienda. In nessun caso si vuole dare l’impressione di fare una valutazione; le conclusioni di questo articolo possono essere applicate senza problemi a prodotti corrispondenti di altre aziende. Molte sostanze chimiche durante la precipitazione possono decadere in ioni, e più precisamente in anioni e cationi. Gli acidi si scindono sempre in cationi di idrogeno, le soluzioni alcaline sempre in anioni di idrossido. L’acqua decade in entrambi, cationi di idrogeno e anioni di idrossido. L’acqua è per così dire contemporaneamente un acido e una sostanza alcalina. Se si aggiunge un acido all’acqua, sale la concentrazione di cationi di idrogeno, se si adopera una soluzione alcalina aumenta la quantità degli anioni di idrossido. Se è disponibile esattamente la stessa quantità di questi due ioni, si parla di punto di neutralità. Nonostante il valore di pH non sia altro che una indicazione di concentrazione, si differenzia però sensibilmente da altre indicazioni di quantità. Conosciamo, per citare un esempio, il contenuto dei nitrati. Può essere molto alto, per esempio 100 mg/l, oppure anche basso, diciamo 5 mg/l. Queste indicazioni di quantità sono facilmente comprensibili: partiamo da zero e dietro al numero misurato abbiamo una unità. Il valore di pH è in qualche modo diverso: la scala va da zero a 14 e il punto neutrale si trova nel mezzo, a sette. Non esiste una unità. La cosa dipende semplicemente dal fatto che la concentrazione zero nel pH non esiste. Perfino nell’acqua pura, come già si è osservato, sono ancora presenti cationi di idrogeno. Prediamo per esempio una bilancia a due piatti. Da una parte sono poste sette sfere, dall’altra sette dadi. Insieme devono sempre essere quattordici. Se manca una delle sfere allora il piatto salirà, e inoltre nel complesso si deve sempre tornare a 14 e dall’altra parte aggiungere la stessa quantità di dadi. Se i dadi sono i cationi di idrogeno o acidi, allora in questo caso la quantità di acidi sarebbe aumentata, l’ago della bilancia si sarebbe spostato verso un valore di pH inferiore. Nel caso dell’aggiunta di una soluzione alcalina sarebbe avvenuto il contrario, e avremmo ottenuto un valore di pH più alto. Ma basta con la teoria, dedichiamoci alla pratica. Il valore di pH in acquariologia rappresenta una grandezza molto comune e importante. Come acquariofili marini ci interessa soprattutto il campo alcalino e ci manteniamo pertanto sopra al punto di neutralità. Il pH di una vasca di barriera fluttua solitamente tra pH 7,5 e 8,5. Viene considerato come valore ideale un valore di 8,2-8,3. L’acqua marina appena preparata si trova inizialmente al di sotto, ma se la si arieggia per qualche ora di regola salirà fino ad 8,0 o leggermente oltre. Perfino nell’acquario durante il giorno misuriamo delle fluttuazioni. Di giorno, quando la luce è accesa e viene espletata la fotosintesi, il valore di pH sale, perché viene consuma la CO2. Durante la fase di buio questo valore decresce, talvolta fino a valori intorno a 7,5, perché non viene esportata CO2 attraverso la fotosintesi, ma invece si produce a causa del metabolismo degli animali e anche delle alghe sicchè la sua concentrazione nell’acqua si arricchisce. Se si vuole appurare il valore di pH di un acquario marino, ha poco senso misurarlo solo una volta al giorno. Personalmente lo misuro la mattina, prima che si accenda la luce, a metà giornata e alla fine ancora la sera, appena l’acquario è al buio. In questo modo, il corso della giornata può essere adeguatamente monitorato.

Soluzioni per la misurazione del pH

La misurazione è possibile con due metodi, attraverso i cosiddetti indicatori cromatici oppure in maniera elettronica. Gli indicatori più semplici evidenziano solo se una soluzione si trova sopra o sotto un determinato valore di pH. Si tratta di una misurazione inutile per i nostri scopi. Per questa ragione si mischiano più indicatori tra loro con punti di viraggio diversi, ottenendo così una scala cromatica con vari cambiamenti di colore nel campo di misurazione desiderato. Un indicatore per acqua marina, per esempio, potrebbe misurare nel campo di pH tra 7,5 e 9,0 con punti di 0,2. Sono vantaggiosi i costi di acquisto relativamente ridotti e il semplice utilizzo. I produttori consigliano di tenere il dosatore delle gocce sempre in verticale, affinché la grandezza della goccia sia il più possibile uguale. Molti dosatori però, soprattutto quando contengono ancora poca soluzione, iniziano per così dire a “gocciolare da soli”, appena li si capovolge. In alcuni casi questo accade così rapidamente che tenendo il dosatore in verticale si perdono i conti. Nella misurazione del pH, però, non è poi così determinante la grandezza della goccia. Se sono troppo piccole otterremo una colorazione leggermente più chiara. Ma non si tratta di un influsso eccessivo sulla leggibilità. Nel caso della misurazione della durezza carbonatica, per citare un esempio, le cose sono diverse. Qui viene registrato il numero delle gocce, e se queste sono più piccole, ne occorrono di più per ottenere il viraggio di colore. In questo caso è più facile incorrere in errori. A parte qualche fattore di disturbo, la misurazione del pH è piuttosto semplice. Soltanto con un’acqua completamente demineralizzata o di osmosi possono insorgere dei problemi, dato che gli indicatori stessi sono acidi o soluzioni alcaline, e nell’acqua del tutto priva di tamponi sussiste la possibilità che l’indicatore stesso influenzi il valore di pH dell’acqua da misurare. Personalmente però non ho incontrato seri problemi.

La misurazione elettronica del pH

Lo svantaggio della misurazione a gocce è l’impegno necessario ed eventualmente anche il costo nel caso di molte misurazioni. Diversamente dalla misurazione elettronica, infatti, il tutto non si completa con una occhiata aall’indicatore. Inoltre, la precisione della misurazione di regola, con un intervallo di 0,2, non è particolarmente esatta. In tal senso, un apparecchio di misurazione di buona qualità e soprattutto ben calibrato offre una resa sicuramente migliore, ma in fase di acquisto necessita di un maggiore esborso. Vanno considerati in aggiunta i costi di gestione: si avrà bisogno di soluzioni per la calibratura e per la pulizia, nonché dei liquidi per il nuovo riempimento; la sonda di misurazione alla lunga diventa anch’essa un materiale di consumo. A tale riguardo torneremo però successivamente; occupiamoci ora del principio di misurazione. L’intera unità di misura consiste in una sonda e un apparecchio di misurazione adeguato che indica il segnale ricevuto come valore di pH. Affinché la trasformazione del valore misurato in unità di pH funzioni, l’apparecchio e la sonda devono essere calibrati. La sonda viene realizzata in vetro o in materiale sintetico, che nella parte inferiore possiede sempre una punta di vetro. In questa punta ha luogo effettivamente la misurazione. A seconda del valore di pH della soluzione misurata, migrano dalla membrana in vetro verso la soluzione, oppure al contrario all’interno della membrana, dei cationi di idrogeno, vale a dire gli ioni che alla fine determinano il valore di pH. Dato che i cationi di idrogeno hanno carica positiva, fra la parte interna costante dell’elettrodo e la parte esterna dipendente dal valore di pH si stabilisce un determinato potenziale, cioè una tensione elettrica. Affinché il tutto funzioni, la punta della sonda di pH deve rimanere umida. Se la punta si è seccata la si può immergere per un giorno in una trimolare di cloruro di potassio; se non la si possiede va bene anche l’acqua di rubinetto. La soluzione di cloruro di potassio si trova anche nel cappuccio protettivo della sonda. A volte il cloruro di potassio cristallizza fin fuori del cappuccio. Questo non influenza la durata della sonda e non costituisce una carenza qualitativa. Se una sonda non viene utilizzata per molto tempo, bisognerebbe sigillarla con il proprio cappuccio e un elettrolita. In questo modo rimane sempre utilizzabile. Torniamo al citato potenziale elettrico, che si crea nella membrana di vetro. Questo potenziale purtroppo non è direttamente misurabile. C’è bisogno di un’altra sonda, detta anche elettrodo di riferimento, che possiede un potenziale proprio e costante. La differenza tra le due sonde si può determinare trasformandola in un valore di pH. Quale elettrodo di riferimento di semplice funzionamento si è dimostrato valido quello in argento/cloruro di argento. Operare con due sonde di misurazione, però, è complicato e poco pratico e pertanto gli inventori hanno concepito una catena di misurazione a sonda singola, inglobando l’elettrodo di riferimento nella sonda di pH. Certo in acquariologia si parla in prevalenza di un “elettrodo di misurazione per il pH”, ma in realtà si tratta di due elettrodi, che formano una catena di misurazione. Per far sì che anche l’elettrodo in argento/cloruro di argento all’interno della sonda di pH venga in contatto con il mezzo da misurare, cioè l’acqua dell’acquario, ogni sonda di pH nei pressi della punta ha inglobato un diaframma. Entrambe le sonde possiedono durate simili e anche da questo punto di vista la combinazione è sensata. Una catena di misurazione quindi è un materiale di consumo, anche se non propriamente economico. Proprio per questo bisognerebbe sapere come evitare che la sua vita limitata venga ulteriormente accorciata attraverso un trattamento errato. È necessaria cautela con i medicinali o altre sostanze che cedono forti coloranti e che devono annientare qualcosa presente nell’acquario. Alcune sostanze sono sostanzialmente in grado di avvelenare letteralmente una sonda di pH. In caso di dubbio, durante la presenza di tali sostanze nella vasca, la sonda stessa andrebbe estratta dall’acqua. Se non fosse possibile, perché non si può rinunciare alla misurazione del pH, si deve prendere mettere in conto un funzionamento impreciso dell’elettrodo. Acquistare una scorta di queste sonde di misurazione non è consigliabile. A causa dei processi di invecchiamento della membrana di vetro, che avviene anche quando l’elettrodo non viene utilizzato, non bisognerebbe immagazzinarle per anni. Pertanto non acquisterei una sonda di pH la cui confezione presenti un copioso strato di polvere!

Gli elettrodi in vetro

Gli elettrodi per il pH possono essere costruiti in vetro o in plastica. In ogni caso, nelle sonde di plastica la punta è ugualmente in vetro, ma presenta a destra e a sinistra due placche simili ad un paraocchi, che servono a proteggere da eventuali danni la delicata membrana in vetro. Gli elettrodi in tutto vetro sono molto più delicati. Sono sprovvisti di qualsiasi protezione, ma dato che sono completamente trasparenti, si può controllare con precisione lo stato di riempimento dell’elettrolita all’interno che, in caso di necessità, deve essere compensato. Anche in questo caso si tratta di una soluzione trimolare (ovvero 3 mol/l) di cloruro di potassio. Ogni sonda di pH ha un diaframma, attraverso il quale l’elettrodo di riferimento è in collegamento con il mezzo da misurare (l’acqua). Il necessario cloruro di argento può trovarsi nel diaframma, oppure la soluzione di cloruro di potassio è saturata con cloruro di argento. Quale soluzione sia necessaria per il riempimento, con o senza cloruro di argento, deve essere richiesto al produttore, sempre che non sia descritto sulla confezione o nelle istruzioni di funzionamento. Attraverso il diaframma si diffonde continuamente una piccola quantità dell’elettrolita verso il campione da misurare, per esempio il nostro acquario. Di questo, però, non è necessario preoccuparsi per gli abitanti della vasca, visto che anche nell’acqua marina naturale tale sostanza è presente in abbondanza. Ad ogni modo, il livello dell’elettrolita nella sonda nel corso del tempo cala, e pertanto non bisognerebbe mai immergere eccessivamente un elettrodo di pH; sono sufficienti pochi centimetri affinché il diaframma si trovi sott’acqua. Se il livello del liquido nella sonda è più basso di quello dell’acqua circostante, infatti, quest’ultima si insinuerà all’interno dell’elettrodo. Il risultato è la sua “rottura”, quasi sempre in modo irreparabile.

Elettrodi riempiti

Le sonde riempite sono meno problematiche, perché possono essere completamente immerse nell’acqua o funzionare anche sotto pressione, per esempio nei reattori di calcio. La loro durata è in prevalenza inferiore a quella degli elettrodi in vetro, ma solamente se l’elettrolita nell’elettrodo di vetro viene regolarmente compensato o rinnovato. Questo può essere fatto molto semplicemente con una siringa provvista di ago: si spinge verso il basso il gommino di protezione che chiude l’apertura per il riempimento dell’elettrolita, si capovolge la sonda e con l’ago si aspira dall’elettrodo la soluzione di cloruro di potassio. Quando la sonda è vuota la si riempie con un nuovo elettrolita. Eventuali bolle di aria nella membrana di vetro possono essere rimosse agitando leggermente la sonda come un termometro per la febbre. Attenzione a non urtare qualcosa, altrimenti la durata più lunga dell’elettrodo di vetro diventa solo teoria. Dato che molti acquariofili non controllano con regolarità nè effettuano alcuna manutenzione alle sonde dei loro apparecchi di misurazione, farebbero meglio ad utilizzare quelle riempite di plastica. Quanto può durare un elettrodi di pH, dipende dalla manutenzione, dalla pulizia e naturalmente dal mezzo misurato. Se quest’ultimo contiene sostanze tossiche per l’elettrodo, anche la miglior manutenzione non serve a nulla. Anche le membrane in vetro coperte di alghe o calcificate, pulite con l’ausilio di uno spazzolino da denti, ne risentiranno danneggiandosi prima. In tal senso, non è neppure necessario frantumarle, perché l’intenso sfregamento meccanico è già sufficiente. Le coperture calcaree sulla sonda di vetro e sul diaframma si rimuovono esclusivamente con delle speciali soluzioni di pulizia. Queste in prevalenza contengono acido cloridrico, eventualmente in aggiunta anche pepsina, se il mezzo da misurare contiene albumine. Le soluzioni di pulizia con acido fluoridrico dovrebbero essere utilizzate solo da personale di laboratorio, perché questo acido è estremamente tossico; la sonda deve essere immersa solo 1-2 minuti, altrimenti la membrana di vetro si danneggia e si scioglie. Con l’ausilio dell’acido fluoridrico è talvolta possibile rigenerare anche delle sonde che misurano solo con grande inerzia, consumando lo strato di vetro superficiale. Successivamente la sonda deve essere posta per un giorno in una soluzione trimolare di cloruro di potassio, per riprendersi da questo trattamento. Ma va ancora una volta puntualizzato che non si tratta di un procedimento da effettuare a casa! Come acquariofili possiamo scogliere i depositi calcarei con acido cloridrico diluito, sciacquare la membrana in vetro con acqua e pulirla eventualmente con uno straccio da cucina attraverso leggerissimi contatti. La soluzione migliore consiste nel collocare le sonde nell’acquario in maniera che si trovino al buio: niente luce, niente alghe. Sono molto adatte le vasche filtro sotto all’acquario. Se però il livello dell’acqua subisce dei cambiamenti dovuti all’evaporazione, sussiste il rischio che l’elettrodo si trovi all’asciutto a contatto con l’aria oppure che sia troppo immerso. Per evitarlo si inserisce la sonda attraverso un pezzo di polistirolo lasciandola galleggiare sull’acqua. Prestate però attenzione che non possa capovolgersi.

Valore acqua Ph

La seconda parte di questo articolo tratterà la calibrazione degli elettrodi di pH e si esamineranno gli errori che si possono commettere e che falsano i valori misurati. Inoltre ci occuperemo delle fluttuazioni di pH nell’acquario e dei relativi sistemi di regolazione.
Articolo tratto dalla rivista Coralli per gentile concessione della Nuovi Orizzonti s.r.l
http://www.nuoviorizzontisrl.com/index.htm

  • ammin - 28 giugno 2013