Sensor PH

Prinsip kerja utama pH meter adalah terletak pada sensor probe berupa elektrode kaca (glass electrode) dengan jalan mengukur jumlah ion H₃O⁺ di dalam larutan. Ujung elektrode kaca adalah lapisan kaca setebal 0,1 mm yang berbentuk bulat (bulb). Bulb ini dipasangkan dengan silinder kaca non-konduktor atau plastik memanjang, yang selanjutnya diisi dengan larutan HCl (0,1 mol/dm³). Di dalam larutan HCl, terendam sebuah kawat elektrode panjang berbahan perak yang pada permukaannya terbentuk senyawa setimbang AgCl. Konstannya jumlah larutan HCl pada sistem ini membuat elektrode Ag/AgCl memiliki nilai potensial stabil.

Skema Sistem Elektrode Kaca
(Sumber)

Inti sensor pH terdapat pada permukaan bulbkaca yang memiliki kemampuan untuk bertukar ion positif (H⁺) dengan larutan terukur. Kaca tersusun atas molekul silikon dioksida dengan sejumlah ikatan logam alkali. Pada saat bulb kaca ini terekspos air, ikatan SiO akan terprotonasi membentuk membran tipis HSiO⁺ sesuai dengan reaksi berikut:

    SiO + H₃O⁺ → HSiO⁺ + H₂O

Proses Pertukaran Ion H⁺
(Sumber)

Seperti pada ilustrasi di atas bahwa pada permukaan bulb terbentuk semacam lapisan “gel” sebagai tempat pertukaran ion H⁺. Jika larutan bersifat asam, maka ion H⁺ akan terikat ke permukaan bulb. Hal ini menimbulkan muatan positif terakumulasi pada lapisan “gel“. Sedangkan jika larutan bersifat basa, maka ion H⁺dari dinding bulb terlepas untuk bereaksi dengan larutan tadi. Hal ini menghasilkan muatan negatif pada dinding bulb.

Pertukaran ion hidronium (H⁺) yang terjadi antara permukaan bulb kaca dengan larutan sekitarnya inilah yang menjadi kunci pengukuran jumlah ion H₃O⁺ di dalam larutan. Kesetimbangan pertukaran ion yang terjadi di antara dua fase dinding kaca bulb dengan larutan, menghasilkan beda potensial di antara keduanya.

    E_{dinding kaca/larutan} ≈ |RT/2,303F   loga(H₃O⁺)|

…… Eq. 1

dimana R adalah konstanta molar gas (8,314 J/mol K), T untuk temperatur (Kelvin), F adalah konstanta Faraday 96.485,3 C/mol, 2,303 adalah angka konversi antara logaritma alami dengan umum, dan a(H₃O⁺) adalah aktivitas dari hidronium (bernilai rendah jika konsentrasinya rendah). Pada temperatur 25°C nilai dariRT/2,303F mendekati angka 59,16 mV. Angka 59,16 mV ini menjadi bilangan penting karena pada suhu konstan larutan 25°C, setiap perubahan 1 satuan pH, terjadi perubahan beda potensial elektrode kaca sebesar 59,16 mV.

Kurva Perubahan pH Dengan Beda Potensial
(Sumber)

Perhitungan nilai aktivitas hidronium (a(H₃O⁺)) pada persamaan di atas memiliki rentang yang sangat lebar yakni antara 10 hingga 10^-15mol/dm³. Sehingga untuk meringkas persamaan, maka lahirlah istilah pH dengan persamaan sebagai berikut:

    pH = -log a(H₃O⁺)

…… Eq. 2

Tanda negatif adalah untuk membuat semua nilai pH dari berbagai larutan, kecuali larutan yang bersifat sangat ekstrim asam, menjadi bernilai positif.

Seperti yang telah kita bahas di atas, bulb kaca berisi larutan HCl yang merendam sebuah elektrode perak. HCl ini memiliki pH konstan karena ia berada pada sistem yang terisolasi. Karena pH konstan inilah maka ia menciptakan beda potensial yang konstan pada temperatur yang konstan pula. Sebut saja potensial tersebut bernilai E’, maka persamaan (Eq. 1) di atas bersama dengan persamaan (Eq. 2) didapatkan persamaan beda potensial total dari elektrode kaca:

    E_{elektrode kaca} = E’ – RT/2,303F   pH

…… Eq. 3

Bagian-bagian Elektrode Referensi

(Sumber)

Pada sebuah sistem pH meter secara keseluruhan, selain terdapat elektrode kaca juga terdapat elektrode referensi. Kedua elektrode tersebut sama-sama terendam ke dalam media ukur yang sama. Elektrode referensi digunakan untuk menciptakan rangkaian listrik pH meter. Untuk menghasilkan pembacaan pH yang valid, elektrode referensi harus memiliki nilai potensial stabil dan tidak terpengaruh oleh jenis fluida yang diukur.

Seperti halnya elektrode kaca, di dalam elektrode referensi juga digunakan larutan HCl (elektrolit) yang merendam elektrode kecil Ag/AgCl. Pada ujung elektrode referensi terdapat liquid junction berupa bahan keramik sebagai tempat pertukaran ion antara elektrolit dengan larutan terukur, pertukaran ion ini dibutuhkan untuk menciptakan aliran listrik sehingga pengukuran potensiometer (pH meter) dapat dilakukan.

Rangkaian Elektrode Kaca dan Elektrode Referensi Pada pH Meter
(Sumber)

Elektrode referensi memiliki nilai potensial yang konstan, sehingga persamaan rangkaian potensiometer secara keseluruhan dapat ditulis sebagai berikut:

    E = E_{elektrode referensi} + E_{elektrode kaca}

…… Eq. 4

Dengan memasukkan persamaan (Eq. 3) ke dalam persamaan di atas, didapatkan persamaan dasar perhitungan pH.

    E = E_{elektrode referensi} + E’ – RT/2,303F   pH

…… Eq. 5

Pengaruh Perubahan Temperatur Terhadap Pengukuran pH
(Sumber)

Pengukuran pH sangat dipengaruhi oleh temperatur larutan. Oleh karena itu diperlukan sensor temperatur (thermoprobe) pada rangkaian pH meter. Pembacaan temperatur tersebut menjadi input perhitungan pH yang dilakukan oleh microprocessor.

Diagram Sederhana pH Meter
(Sumber)

Referensi:

• Wikipedia: pH meter
• Wikipedia: glass electrode
• Wikipedia: reference electrode
• vl-pc.com