Prinsip Kerja pH MeterPrinsip 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 KacaInti sensor pH terdapat pada permukaan bulb kaca 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+

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.    Edinding kaca/larutan ≈ |RT/2,303F   loga(H3O+)|…… Eq. 1dimana 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, dana(H3O+) adalah aktivitas dari hidronium (bernilai rendah jika konsentrasinya rendah). Pada temperatur 25°C nilai dari RT/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 -

15 mol/dm3. Sehingga untuk meringkas persamaan, maka lahirlah istilah pH dengan persamaan sebagai berikut:    pH = -log a(H3O+)…… Eq. 2Tanda 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:    Eelektrode 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 = Eelektrode referensi + Eelektrode kaca

…… Eq. 4Dengan memasukkan persamaan (Eq. 3) ke dalam persamaan di atas, didapatkan persamaan dasar perhitungan pH.    E = Eelektrode 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

Komponen pH MeterSetelah pada artikel sebelumnya kita membahas prinsip kerja ph meter, maka kali ini akan kita bahas komponen-komponen utama dari sistem ph meter. Sebuah sistem pH meter tersusun atas beberapa komponen penting yang tidak dapat dipisahkan antara satu dengan yang lainnya. Berikut adalah komponen-komponen tersebut:1. Elektrode Kaca

Elektrode kaca berfungsi sebagai salah satu kutub di antara dua elektrode ph meter yang tercelup ke dalam larutan. Pada ujung elektrode ini terdapat bulb yang berfungsi sebagai tempat terjadinya pertukaran ion positif (H+). Pertukaran ion yang terjadi menyebabkan adanya perbedaan beda potensial di antara dua elektrode, sehingga pembacaan potensiometer akan menghasilkan positif atau negatif. Jika larutan bersifat netral, maka potensiometer tidak membaca adanya perbedaan potensial di antara kedua kutub (pH=7). Sedangkan jika larutan bersifat asam, maka potensial elektrode kaca menjadi lebih positif daripada elektrode referensi. Pada kondisi ini, potensiometer membaca negatif yang akan diartikan oleh sistem sebagai pH<7. Dan jika larutan bersifat basa, maka elektrode kaca akan memiliki potensial yang lebih rendah daripada elektrode referensi. Pada kondisi ini pembacaan pH menjadi lebih besar daripada angka 7.

Elektrode KacaElektrode kaca tersusun atas ujung bulb bulat dari bahan kaca yang terpasang ke sebuah silinder panjang dari kaca atau bahan isolator lain. Di dalam bulb dan silinder ini berisi cairan HCl yang memiliki nilai pH konstan = 7. HCl merendam sebuah kawat elektrode kecil dengan bahan perak, yang karena terendam di dalam larutan HCl maka pada permukaannya membentuk senyawa stabil AgCl.

2. Elektrode ReferensiElektrode referensi berfungsi sebagai kutub lain selain elektrode kaca sehingga diantara keduanya, yang terendam larutan tertentu, terbentuk rangkaian listrik. Elektrode ini didesain memiliki nilai potensial yang tetap pada kondisi larutan apapun. Sehingga arah aliran listrik yang terjadi hanya tergantung dari lebih besar atau lebih kecilnya potensial elektrode kaca terhadap elektrode referensi.

Elektrode Referensi dan Elektrode Gabungan dengan Elektrode Kaca.Seperti halnya elektrode kaca, di dalam elektrode referensi juga digunakan larutan HCl (elektrolit) yang merendam elektrode Ag/AgCl. Pada ujung elektrode referensi terdapat liquid junctionberupa 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. Sekalipun pada liquid junction terjadi pertukaran ion, hal ini tidak diikuti dengan reaksi kimia. Sehingga pH elektrolit di dalam

elektrode referensi akan selalu konstan dan nilai potensial elektrode pun juga konstan.

3. TermometerSensor temperatur menjadi satu komponen wajib pH meter, karena nilai pH sangat dipengaruhi oleh temperatur larutan. Pada pH larutan 7 (netral), perubahan temperatur tidak berpengaruh terhadap nilai tersebut. Namun jika larutan bersifat asam atau basa, pembentukan ion sangat dipengaruhi oleh temperatur. Dan karena pembacaan pH distandardisasi pada temperatur ruang 25°C, maka keberadaan sensor temperatur sangat krusial untuk mendapatkan pembacaan pH meter yang akurat.

Sensor Temperatur pH MeterTiga sensor pH meter yang terendam di dalam larutan yakni elektrode kaca, elektrode referensi, dan sensor temperatur, dapat digabungkan menjadi satu komponen probe saja sehingga didapatkan bentuk sensor pH meter yang lebih praktis.

Combined pH Electrode4. Amplifier

Setiap pH meter selalu membutuhkan penguat voltase atau dikenal dengan amplifier. Voltase yang dihasilkan oleh dua elektrode pH meter terlalu rendah yakni hanya sekitar 60 mV untuk setiap tingkatan nilai pH. Jika pada pH netral (=7) beda potensial antar elektrode kaca dengan referensi sama dengan nol, maka besar voltase yang dihasilkan oleh keduanya pada nilai pH terendah hingga tertinggi (0≤pH≤14) adalah di antara angka -350 mV hingga +350 mV. Agar voltase ini dapat diproses di mikrokontroler, maka harus diperkuat oleh amplifier. Sebagai contoh pada salah satu tipe amplifier pH meter, amplifier ini akan memperkuat voltase menjadi pada rentangan 0 hingga 14 V. Sehingga jika potensiometer membaca nilai 4,5 V, maka pH larutan yang diukur adalah 4,5.

pH Meter Amplifier5. Mikroprosesor

Mikroprosesor pada pH meter berfungsi untuk menterjemahkan nilai voltase yang dikirim oleh amplifier menjadi nilai pH. Perhitungan kompensasi nilai temperatur larutan terukur, juga dihitung oleh mikroprosesor ini. Mikroprosesor juga memproses semua opsi input yang ada pada pH meter. Hasil dari pemrosesan mikroprosesor ini ditampilkan pada layar LCD pH meter.

Sistem Mikroprosesor pH Meter