Material de laboratorio

pH-metro

Tiempo de lectura estimado: 16 minutos

Un medidor de pH, pH-metro o medidor de potencial de pH es un instrumento científico que mide la actividad de iones de hidrógeno en soluciones acuosas, indicando su acidez o alcalinidad expresada como pH.

El medidor de pH mide la diferencia de potencial eléctrico entre un electrodo de pH y un electrodo de referencia, por lo que a veces se le llama «medidor de pH potenciométrico». La diferencia de potencial eléctrico se relaciona con la acidez o el pH de la solución. La prueba de pH mediante medidores de pH (pH-metría) se utiliza en muchas aplicaciones que van desde experimentación en laboratorio hasta control de calidad.


Aplicaciones

La tasa y el resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en el agua a menudo dependen de la acidez del agua, por lo que es útil conocer la acidez del agua, típicamente medida mediante un medidor de pH. El conocimiento del pH es útil o crítico en muchas situaciones, incluyendo análisis químicos en laboratorios. Los medidores de pH se utilizan para la medición de suelos en agricultura, calidad del agua para suministros de agua municipales, piscinas, remediación ambiental; elaboración de vino o cerveza; fabricación, atención sanitaria y aplicaciones clínicas, como la química sanguínea; y muchas otras aplicaciones.

Modelo original del pH-metro de Beckman
Modelo original del pH-metro de Beckman

Los avances en la instrumentación y en la detección han ampliado el número de aplicaciones en las que se pueden realizar mediciones de pH. Los dispositivos se han miniaturizado, lo que permite la medición directa del pH dentro de células vivas. Además de medir el pH de líquidos, hay electrodos especialmente diseñados disponibles para medir el pH de sustancias semisólidas, como alimentos. Estos tienen puntas adecuadas para perforar los semisólidos, tienen materiales de electrodo compatibles con los ingredientes de los alimentos y son resistentes a la obstrucción.

Historia

La primera publicación sobre la medición del pH de una solución fue en 1909 por el químico danés Sorenson. Algunas de las primeras aplicaciones de la medición del pH se relacionaron con el procesamiento y la seguridad alimentaria, específicamente con cómo las culturas bacterianas cambian en función del pH. Sin embargo, la determinación del pH requería de químicos experimentados y equipos de laboratorio.

Cuando Arnold Beckman, un profesor de química analítica en el Instituto de Tecnología de California, fue solicitado para idear una forma de medir la acidez en frutas cítricas, el resultado fue el «acidómetro» que revolucionó la instrumentación química. Las características innovadoras del medidor de pH, incluyendo su uso de tecnología electrónica integrada y diseño todo en uno, fueron la base para la posterior instrumentación moderna desarrollada por Beckman y su compañía.

La acidez en los cítricos

La industria de los cítricos de California depende de la química. La acidez del suelo y el agua influyen en los árboles frutales. Los químicos desarrollaron los insecticidas y fungicidas utilizados por los cultivadores. La madurez se determinaba por el porcentaje de ácido cítrico en el jugo. Y finalmente, grandes cantidades de fruta de calidad inferior se procesaban, mediante medios químicos, en pectina y ácido cítrico. Claramente, la industria de los cítricos necesitaba una medida precisa de la acidez, el problema que llevó a Glen Joseph a buscar el consejo de su viejo amigo Arnold Beckman.

Los químicos midieron la acidez mediante varios métodos. El más destacado era el método colorimétrico familiar para la mayoría de los estudiantes de química de secundaria. Se recubrían tiras de papel con litmus, un polvo soluble en agua derivado de líquenes, y luego se sumergían en la solución en examen. Si el papel tratado con litmus se volvía rojo, la solución era ácida; si se volvía azul, alcalina. Los gráficos codificados por colores ayudaban al examinador a determinar la acidez de la solución. Una prueba barata, pero inutilizable en la industria de los cítricos, ya que el dióxido de azufre que se agregaba al jugo de cítricos como conservante blanquea el litmus.

Detalle de la patente del medidor de pH
Detalle de la patente del medidor de pH

Detalle de la patente del medidor de pH

Otras alternativas

Los químicos también utilizaron métodos electroquímicos que se basan en la teoría iónica para calibrar la acidez. En esta teoría, la acidez se define por la concentración de iones de hidrógeno: cuanto mayor sea la concentración, más ácida será la solución. La medida utilizada es la escala de pH, potencial de hidrógeno, desarrollada en 1909 por Søren Sørenson, un bioquímico danés. La escala de pH tiene valores que van desde 0 (extremadamente ácido) hasta 14 (extremadamente alcalino). Joseph utilizó electrodos de hidrógeno para tratar de determinar la acidez del jugo de limón, pero de nuevo el dióxido de azufre interfirió en la prueba.

Joseph intentó luego electrodos que utilizaban vidrio como contacto en lugar de un alambre o placa de metal común en el electrodo de hidrógeno. El electrodo de vidrio proporcionaba lecturas confiables siempre y cuando el equipo no se rompiera, lo que sucedía con frecuencia debido a la necesidad de utilizar vidrio muy fino para reducir la resistencia a las corrientes eléctricas que se estaban midiendo. Y si el electrodo funcionaba, inevitablemente el galvanómetro que Joseph utilizaba para leer la corriente fallaba. Fue este problema lo que finalmente llevó a Joseph a llamar a Beckman, quien inmediatamente concluyó que Joseph estaba utilizando el equipo equivocado.

El galvanómetro era incorrecto, le dijo Beckman a Joseph, porque «simplemente requería demasiada corriente. Usa un voltímetro de tubo de vacío». Beckman estaba familiarizado con los tubos de vacío por su trabajo una década antes en Bell Labs, y sabía que los tubos de vacío eran amplificadores efectivos de señales eléctricas débiles. Y se dio cuenta de que la solución al problema de Joseph era la amplificación, es decir, Beckman entendió que Joseph necesitaba hacer la corriente más fuerte.

Mejorando la señal

Para hacer eso, necesitaba electrodos de vidrio más resistentes, pero desafortunadamente el vidrio es un mal conductor. La conclusión para Beckman era obvia: hacer un amplificador potente para aumentar la corriente y combinarlo con un electrodo de vidrio resistente. Como dijo más tarde, «el amplificador electrónico también tendría una mayor sensibilidad que el galvanómetro, por lo que se podrían utilizar electrodos de vidrio con paredes más gruesas y resistentes».

Un tubo de vacío es una bombilla de vidrio sellada que contiene un cátodo y un ánodo que transmiten y reciben corrientes eléctricas. Entre los dos polos hay una rejilla, una pequeña malla metálica que controla el flujo de electricidad. Pequeños cambios en la corriente eléctrica, que provienen de una fuente externa como una batería, llevan a cambios mayores, una amplificación, en la corriente que fluye entre el cátodo y el ánodo. Beckman pensó que, al poner la medida de pH en el circuito de la rejilla del tubo de vacío, la lectura resultante se amplificaría y se podría leer fácilmente con un amperímetro, un dispositivo para medir corrientes.

Joseph dejó la oficina de Beckman armado con un esquema que usaba dos tubos de vacío para amplificar y luego re-amplificar la señal. Pero pronto regresó diciendo que el dispositivo no funcionaba. Beckman decidió que construiría el instrumento él mismo, y esta vez no solo funcionó, sino que funcionó tan bien que Joseph pronto le preguntó a Beckman si podía hacer otro igual que el primero. La segunda solicitud de Joseph cambió la vida de Arnold Beckman, ya que lo lanzó a una nueva carrera, convirtiendo a un profesor asistente de historia en un inventor, empresario y destacado filántropo.

Una oportunidad de negocio

La solicitud de Glen Joseph de una segunda unidad llevó a Arnold Beckman a concluir que si Joseph «podía usar dos de estos (amplificadores para medir el pH) en ese pequeño laboratorio que tiene, tal vez haya un mercado para ellos». Beckman inmediatamente construyó dos dispositivos más, uno para Joseph y otro para ver si se podía comercializar.

Pero lo más importante, Beckman comenzó a repensar su enfoque, concluyendo pronto que el amplificador no debería ser un dispositivo separado, sino parte de un instrumento integrado para medir el pH. Como Beckman relató más tarde, su patente inicial, presentada en 1934, no era para un medidor de pH, sino para un amplificador. «Fue más tarde», dijo, «cuando pusimos todo junto en una pequeña caja de nogal». Inicialmente llamado «acidímetro», incluía un amplificador de tubo de vacío, un electrodo de medición y un medidor de datos.

Los químicos estaban empezando a utilizar instrumentos eléctricos en su investigación. Esto se hacía generalmente para satisfacer una necesidad específica y consistía en vincular varios dispositivos juntos, que luego se distribuían en la mesa de trabajo de un laboratorio. Beckman cambió esto: no solo inventó un amplificador innovador debido a su sensibilidad, sino que también construyó un instrumento integrado.

En otras palabras, Beckman no solo descubrió cómo medir el pH con precisión; también revolucionó la instrumentación construyendo el primer instrumento químico en una unidad compacta que utilizaba tecnología electrónica y era portátil. Esto simplificó la investigación, ya que un químico ya no tenía que ensamblar varios componentes para probar datos. Ahora el químico podía comprar el instrumento, proporcionar una fuente de alimentación y comenzar inmediatamente a recopilar datos. Ya no era necesario ensamblar los componentes necesarios y el químico no requería mucho conocimiento de la electrónica. Este enfoque bastante básico pero innovador en el diseño de instrumentos proporcionó la base para el posterior desarrollo de la instrumentación moderna por parte de Beckman y otros.

El nuevo instrumento de Beckman lo obligó a reconsiderar su carrera. Todavía era profesor asistente en el Instituto de Tecnología de California, una institución que desaprobaba a los profesores que vinculaban la investigación con empresas comerciales. Beckman dijo más tarde que «estaba feliz allí, haciendo investigación y enseñando química». Había dedicado tiempo al problema del medidor de pH solo como un favor a un viejo amigo universitario. Al mismo tiempo, Beckman se dio cuenta de la importancia del diseño del medidor de pH y creyó que había un mercado para lo que llamó un «acidímetro», un instrumento que los químicos y técnicos podían llevar al campo para medir la acidez. Su dilema era simple: ¿cómo podía él, un profesor de Caltech, comercializar su instrumento?

National Inking Appliance

La solución al dilema de Beckman radicaba en hacer que el acidímetro fuera parte de National Inking Appliance, una pequeña empresa en la que Beckman ya estaba involucrado. El interés de Beckman en National Inking comenzó cuando I. H. (Buzz) Lyons, el presidente de National Postal Meter Company, lo visitó. National Postal Meter, con sede en Los Ángeles, fabricaba medidores de franqueo y, aunque el principal proveedor de los medidores era Pitney Bowes, en la década de 1930 National Postal Meter era un competidor. Pero Lyons tenía un problema que amenazaba las ventas: sus máquinas se obstruían.

Beckman concluyó rápidamente que el problema de obstrucción se debía al asentamiento del pigmento. Beckman le dijo a Lyons que la solución era simple: usar ácido butírico en la fórmula para hacer la tinta. Desafortunadamente, el ácido butírico tiene un olor terrible, y Lyons no pudo conseguir que ningún productor importante de tinta fabricara la fórmula de Beckman.

Beckman luego dijo que él mismo produciría la tinta como un proyecto secundario, ya que todavía era profesor asistente en el Instituto de Tecnología de California. Una mejor tinta no fue la única participación de Beckman en National Postal Meter. Beckman también comenzó a colaborar con un inventor de la empresa, Héctor Jewell, en formas de aplicar constantemente tinta a las cintas de las máquinas de escribir. Beckman ideó dos métodos para aplicar la tinta, ambos resultando en patentes.

Armado con una tinta que no se obstruía y dos dispositivos de reentintado, National Postal Meter creó National Inking Appliance el 26 de noviembre de 1934, con Beckman como vicepresidente y gerente de la subsidiaria. Este fue el comienzo de la carrera de Beckman como empresario, aunque protestaría por el resto de su vida que «realmente no tengo orientación empresarial… Me preocupa más resolver los problemas técnicos y encontrar algo útil para el avance de la ciencia.

Beckman encontró espacio para National Inking Appliance al alquilar, por cinco dólares al mes, un área de diez pies por veinticinco pies en la parte trasera de un garaje en East Pasadena. Lo equipó con algunos aparatos de laboratorio, quemadores de Bunsen y una campana de escape, y contrató a dos estudiantes de Caltech, Robert Barton y Henry Fracker, para trabajar a tiempo parcial junto con él produciendo tinta para National Postal Meter. Pero las almohadillas de entintado patentadas fallaron cuando las secretarias se negaron a usarlas, un fracaso que al final resultó una bendición para Beckman, ya que ahora tenía una instalación lista para producir el acidímetro. El fracaso también le enseñó a Beckman que las invenciones tenían que ser ingeniosas y comerciales para tener éxito.

El 28 de abril de 1935, Beckman orquestó un cambio de nombre: National Inking Appliance Company se convirtió en National Technical Laboratories. El cambio indicó que Beckman estaba cambiando su enfoque; en lugar de producir un producto como un proyecto secundario, ahora comenzaba a ver un futuro basado en un programa para producir y vender instrumentos científicos sofisticados. Además, National Technical Laboratories, o NTL, era una corporación independiente, no subsidiaria de National Postal Meter. NTL recibió $ 9,000 de National Postal Meter como capital inicial a cambio del noventa por ciento de las acciones. Beckman mantuvo el diez por ciento restante de las acciones y recibió un salario modesto.

Presentación del pH-metro

Al comienzo, NTL tenía solo un producto: tinta para medidores de franqueo, que estaba fabricando para National Postal Meter. Pero el desarrollo del acidímetro continuó en el garaje de East Pasadena y para septiembre de 1935, Beckman y sus asistentes tenían un instrumento comercializable alojado en una caja de madera con un asa y una cerradura, justo a tiempo para la reunión nacional de otoño de la Sociedad Química Estadounidense en San Francisco.

Beckman llevó el acidímetro con él «y se lo mostró a varios químicos. En particular, pregunté a algunos de mis antiguos profesores si, en su opinión, habría mercado para tal instrumento. Para poner las cosas en perspectiva, debo señalar que nuestro instrumento tenía un precio de $ 195, y competiría en cierta medida con el papel de tornasol que costaba solo unos centavos por vial».

Los profesores de Beckman sugirieron que mostrara el instrumento a los distribuidores de aparatos de laboratorio. «Su estimación más optimista», dice, «fue que se podrían vender 600 durante un período de diez años antes de que el mercado se saturara. No era un gran potencial de ventas, pero decidí seguir adelante. Después de todo, era solo una actividad de tiempo libre». Para ayudar a aumentar las ventas, se cambió el nombre de «acidímetro» a «medidor de pH» para enfatizar la escala que mide la acidez y alcalinidad.

Al mismo tiempo, «con un desprecio temerario por los costos generales», Beckman trasladó la producción del garaje de East Pasadena a un edificio comercial vacío en el 3330 East Colorado Street en Pasadena por un alquiler de $ 50 al mes, diez veces lo que había estado pagando.

Primeras ventas

En 1936, el primer año completo de ventas, NTL vendió 444 medidores de pH, con un ingreso bruto de $ 60,000 y una ganancia neta de $ 2,358. Para 1939, se habían vendido 1,995 medidores de pH y la ganancia de ese año fue de $ 22,160. El éxito significó que pronto el «Medidor de pH de electrodo de vidrio Beckman» se presentó en los catálogos de todos los principales distribuidores de instrumentos en los Estados Unidos.

El crecimiento se produjo incluso si inicialmente los dos asistentes de Beckman construyeron cada medidor a mano. Pronto se contrató personal adicional, incluyendo una fuerza de ventas de una persona para coordinar los pedidos que llegaban de los distribuidores de instrumentos químicos. La decisión de utilizar piezas de componentes en lugar de fabricarlas logró economías de producción.

Por ejemplo, los costos se mantuvieron bajos mediante la compra de tubos de vacío. Las cajas de esmalte que alojaban los electrodos del medidor de pH provenían de la empresa de estufas Gaffers and Sattler, que los producía como contenedores para sal y pimienta. El negocio fue tan bueno que en 1937 NTL presentó el Modelo G de medidor de pH, vendiendo eventualmente miles de esta versión.

Un paso hacia la industria

Para 1939, Beckman tuvo que tomar una decisión importante sobre su carrera. Durante cuatro años, había estado dirigiendo NTL pero solo tenía el título formal de vicepresidente. El 11 de mayo de 1939, la junta directiva creó el nuevo puesto de presidente a tiempo completo, con un salario de $ 10,000 y acciones como remuneración por dirigir la empresa que tenía ventas de $ 140,000 al año.

Beckman entendió que NTL había crecido hasta el punto en que «alguien tenía que dirigir el espectáculo a tiempo completo. Era cuestión de si intentaba hacer eso o si salía y contrataba a un profesional para que lo hiciera». Por lo tanto, «con gran reluctancia», Beckman renunció a Caltech para convertirse en presidente de NTL.

La decisión de dejar Caltech fue difícil para Beckman, pero sintió que no solo la empresa necesitaba un presidente a tiempo completo, sino que su papel como empresario entraba en conflicto con el aura de la ciencia pura cultivada en Caltech. Como dijo más tarde, «Disfruté mi asociación con Caltech y también tenía la sensación, que es una extensión de esta actitud del científico puro, de que cualquier persona que se dedique al comercio es de alguna manera un ciudadano de segunda clase… También pensé, ¿estoy prostituyendo mi formación científica al abandonar el ámbito académico e ir a la industria?» Beckman concluyó que no estaba «prostituyéndose», eventualmente llegando a estar de acuerdo con «muchos amigos dicen que he hecho más por la ciencia al hacer miles de instrumentos disponibles para otros de lo que habría hecho con mis propias manos en un laboratorio. Espero que tengan razón. No discuto con ellos demasiado fuerte en eso».

Desarrollos posteriores del medidor de pH

La Radiometer Corporation de Dinamarca fue fundada en 1935 y comenzó a comercializar un medidor de pH para uso médico alrededor de 1936, pero «el desarrollo de medidores de pH automáticos para fines industriales fue descuidado. En su lugar, los fabricantes de instrumentos estadounidenses desarrollaron con éxito medidores de pH industriales con una amplia variedad de aplicaciones, como en cervecerías, fábricas de papel, fábricas de alumbre y sistemas de tratamiento de agua».

En la década de 1940, los electrodos para los medidores de pH a menudo eran difíciles de fabricar o poco confiables debido al vidrio quebradizo. El Dr. Werner Ingold comenzó a industrializar la producción de células de medición de varilla única, una combinación de electrodo de medición y de referencia en una unidad de construcción, lo que llevó a una aceptación más amplia en una amplia gama de industrias, incluida la producción farmacéutica.

Publicidad sobre el pH-metro de bolsillo de Beckman
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Beckman comercializó un «Medidor de pH de bolsillo» portátil tan temprano como 1956, pero no tenía una pantalla digital. En la década de 1970, Jenco Electronics de Taiwán diseñó y fabricó el primer medidor de pH digital portátil. Este medidor se vendió bajo la etiqueta de Cole-Parmer Corporation.

Para más información Development of the Beckman pH Meter

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Como citar este artículo:

APA: (2023-11-13). pH-metro. Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/ph-metro/

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IEEE: , "pH-metro," https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/ph-metro/, fecha de consulta 2024-04-17.

Vancouver: . pH-metro. [Internet]. 2023-11-13 [citado 2024-04-17]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/ph-metro/.

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