Kontakt

Lisa C. DeLeebeeck
+45 25459036
ldl@dfm.dk

Carsten Thirstrup

+45 45255868
cth@dfm.dk

Elektrokemi

To af de mest brugte kemiske målinger er pH og elektrolytisk ledningsevne. Begge er reelt elektrokemiske målinger. DFM har primærnormaler på højeste internationale niveau for begge disse målestørrelser. Vores forskningsaktiviteter skal sikre, at vi vedbliver at være i stand til at opfylde danske virksomheders behov for målinger af og viden om disse målestørrelser i takt med, at det efterspurgte måleområde udvides, herunder målinger i nye typer af medier.

Elektrolytisk ledningsevne

Elektrolytisk ledningsevne er et mål for antallet af elektrisk ladede kemiske enheder i en væske. De elektrisk ladede kemiske enheder kaldes ioner, og en væske indeholdende ioner er en elektrolyt. Den elektrolytiske ledningsevne giver ingen oplysninger om den kemiske natur af ionerne og ej heller om ionernes ladning i form af antallet af elementarladninger. Ligeledes er det ikke muligt at beregne koncentrationen af ioner ud fra værdien af den elektrolytiske ledningsevne alene. Elektrolytisk ledningsevne er derfor, hvad man kalder, en ikke-specifik metode. Til gengæld er måling af den elektrolytiske ledningsevne ofte en hurtig, og dermed effektiv, måde at bestemme, om en væske enten er tilstrækkelig ren eller omvendt er tilstrækkelig koncentreret. Således kunne man sige, at den elektrolytiske ledningsevne bruges af kemikere på samme måde, som en læge bruger en patients temperatur: Det er muligt at sige, om patienten er syg eller ikke er syg, men det er ikke muligt at sige, hvilken sygdom patienten har.

Et eksempel på en proces, hvor måling af elektrolytisk ledningsevne er vigtig, er dialysebehandling. Dialyseprocessen styres ved måling af ledningsevnen af dialysevæsken. Jo mere nøjagtig målingen af den elektrolytiske ledningsevne er, desto bedre kontrol og dermed mere effektiv og smertefri dialysebehandling. Da dialysebehandling foretages flere gange om ugen, og hver enkeltbehandling har en varighed på flere timer, er en mere effektiv dialyseproces meget vigtig for patienterne.

I en elektrolyt vil der altid være ioner med positiv ladning og ioner med negativ ladning. Der vil gælde, at væsken som helhed er ladningsneutral, det vil sige, at antallet af positive ladninger er lig antallet af negative ladninger. Da antallet af elementarladninger per ion ikke behøver være ens for de positivt ladede ioner og de negativt ladede ioner, behøver antallet af positivt ladede ioner og negativt ladede ioner ikke være ens, men antallet af positivt ladede ioner ganget med antallet af elementarladninger per positivt ladede ion er lig antallet af negativt ladede ioner ganget med antallet af elementarladninger per negativt ladede ioner.

Ved måling af ledningsevnen neddypper man to elektroder i væsken. Man påtrykker så en elektrisk spænding mellem de to elektroder og måler den elektriske modstand mellem elektroderne. Ledningsevnen beregnes som afstanden mellem elektroderne delt med tværsnitsarealet af elektroderne og delt med den elektriske modstand.

Såfremt man benyttede jævnspænding, ville de positivt ladede ioner bevæge sig hen imod den negativt ladede elektrode og vice versa. En del af ionerne ville komme tæt på elektrodeoverfladen, og når de gjorde det, ville de enten skærme elektroden og derved gøre spændingsforskellen mindre eller de ville blive afladt ved en elektrokemisk reaktion, hvorved man langsomt ville ændre sammensætningen af væsken. Både det ene og det andet vil ændre den målte modstand, og målingen kan ikke ske hurtigt nok til, at man ikke ændrer modstanden.

På grund af dette kan måling af den elektrolytiske ledningsevne ikke ske med jævnspænding, men må ske ved vekselspænding, idet den stadige ændring af elektrodernes ladning fra positiv til negativ til positiv og så videre betyder, at ionerne nok bevæger sig, men aldrig bliver afladt, da de stadigt ændrer bevægelsesretning i takt med, at elektroderne ændrer ladning.

Modstanden man måler mellem elektroderne, når man benytter vekselspænding, afhænger imidlertid af frekvensen for vekselspændingen. Dette gælder uanset om vekselspændingen er et sinusformet signal, et trekantsignal eller et firkant signal, eller en hvilken som helst anden kurveform. Det gælder derfor om at måle modstanden ved den ”rigtige” frekvens, men det viser sig, at den afhænger af ledningsevnen. I praksis er man derfor nødt til at måle ved flere frekvenser og efterfølgende lave en kurve som funktion af frekvensen. Denne kurve skal så bruges til at bestemme den korrekte modstand.

Graver man dybere i problemstillingen, viser det sig, at mange faktorer påvirker denne kurves forløb som funktion af frekvensen. DFM forsker i at bestemme en entydig metode til fastlæggelse af den korrekte modstand.

For farmaceutisk produktion er det i dag et myndighedskrav, at vands renhed bestemmes ved måling af den elektrolytiske ledningsevne. Mange andre sektorer – fra kraftværker til fødevareindustrien – anvender ligeledes elektrolytisk ledningsevne som et mål for vands renhed. DFM arbejder derfor på at etablere en direkte elektrisk- geometrisk sporbarhed til SI for måling af elektrolytisk ledningsevne af ultra-rent vand.

Da biobrændsler har ledningsevne i samme størrelsesorden, foregår arbejdet med udvikling af evnen til at måle ledningsevnen af den type væsker parallelt hermed. Biobrændsler er dog flygtige forbindelser, hvilket medfører yderligere komplikationer i forbindelse med udførelsen af målingen.

pH

Målestørrelsen pH er defineret som et mål for surhedsgraden af en vandig opløsning. Endvidere kan pH kun måles på en meningsfuld måde i opløsninger, som har den egenskab, at tilsætning af en mindre, men dog signifikant, mængde syre eller base kun fører til en forsvindende lille ændring af opløsningens pH-værdi. Sådanne opløsninger kaldes buffere.

Måling af pH benyttes dog langt bredere end som så, skønt næppe altid med den omhyggelige fortolkning af måleresultatets signifikans, som bør anvendes i alle andre tilfælde end måling i en buffer.

Måling af pH er reelt en måling af den effektive koncentration – kaldet aktiviteten – af brint-ioner (hydrogen-ioner). Aktiviteten er ikke koncentrationen af de tilstedeværende ioner, men i stedet koncentrationen af ioner der kan reagere frit. På grund af ionernes elektriske ladning bliver de tiltrukket af ioner med modsat ladning, og ioner med modsat ladning har derfor tendens til ”at klumpe sammen”, hvorved de ikke er frie til at reagere. Skønt den kemiske forbindelse vand er elektrisk neutral, er den elektriske ladning i vandmolekylet en smule skævt fordelt. Denne såkaldte dipol i vandmolekylet gør at vandmolekylerne vil orientere sig på en bestemt måde i forhold til ioner. For små, positivt ladet ioner – som brint-ionen – betyder det, at en del af ionerne er fuldstændigt omringede af vandmolekyler, og de er derfor heller ikke frie til at reagere. Aktiviteten af ioner er på grund af disse fænomener altid lavere end koncentrationen af tilstedeværende ioner.

Aktiviteten af brint-ioner er bestemmende for, hvorvidt mange kemiske og biologiske processer kan finde sted, og hvis de kan finde sted også for den hastighed, hvormed de forløber. Mange biologiske stoffer denatureres, hvis pH-værdien ændres for meget. Når stoffet denatureres mister det sin biologiske effekt. Et eksempel er, hvad der sker, når man hælder eddike i æggehvide.

Måling af pH er kritisk i systemer fra blodkemi og fødevarer til industrielle processer samt som hjælpeparameter i utallige kemiske målemetoder.

Den primære normal for pH kan kun benyttes til måling i nogle få typer buffer med meget snævre grænser for den kemiske sammensætning. Skønt den primære metode er kritisk nødvendigt for at realisere pH-skalaen, har den klare mangler i generel anvendelighed. Derfor arbejder DFM på at udvikle et system til bestemmelse af pH-værdien af andre typer opløsninger ved sammenligningsmåling i forhold til to kendte buffere, som enten er udmålt i den primære normal eller har sporbarhed til den primære normal.