Trabalho Circuito medidor de pH

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Objetivo Geral
Criação e elaboração de um medidor de pH para uso em aquários, piscinas e lagos.
É utilizado para controlar o nível de pH de determinada solução, assim podendo
cuidar melhor da água e de sua aparência.
Mas por que fazer um medidor de pH?
Pela maior praticidade ao medir o pH dos líquidos. Normalmente a gente utiliza
medidores tradicionais, que geralmente determinam o pH por uma escala de cores.
Porém, às vezes não fica claro qual cor é correspondente a tal pH. Além disso, um
medidor de pH pode ser muito mais preciso na sua leitura, podendo retornar
números após a vírgula.
Um dos métodos tradicionais é a célula controladora. Após coletar a água de
determinado lugar, pinga-se algumas gotas de reagente vermelho de fenol para
observar a escala de pH da célula controladora.
Outro medidor famoso é a fitinha. Após mergulhar a fita na água, a cor da fita muda
para a cor de pH correspondente de acordo com a escala de pH.
O que é?
O pH é definido da seguinte forma: a letra minúscula “p” em pH representa o
logaritmo comum negativo (base dez), enquanto a letra maiúscula “H” representa o
elemento hidrogênio. Assim, o pH é uma medida logarítmica do número de mols de
íons de hidrogênio (H+) por litro de solução.
A escala logarítmica de pH funciona assim: uma solução com 10-12 moles de íons
H+ por litro tem um pH de 12; uma solução com 10-3 moles de íons H+ por litro tem
um pH de 3.
PULAR SLIDE
Um medidor de pH é um instrumento científico que mede a atividade do íon
hidrogênio em soluções à base de água, indicando sua acidez ou alcalinidade
expressa em pH. O medidor de pH mede a diferença de potencial elétrico entre um
eletrodo de pH e um eletrodo de referência.
Descrição das características dos componentes utilizados
Placa Arduino UNO
Fios de conexão e Protoboard
Kit Sensor pH da Atlas Scientific
Interface EZO (para aquisição de sinais: responsável por ler o sinal
analógico do sensor, convertê-lo em leituras de pH e enviá-las para o
Arduino)
● Leituras de pH entre 0 e 14
● Precisão de +/– 0,002
● Taxa máxima de 1 leitura por segundo
● Permite compensação de temperatura
● Permite a calibração em 1, 2 ou 3 pontos
● Protocolo de dados UART e I2C com formato ASCII
● Comandos simplificados para todas as funcionalidades
Eletrodo de pH para água e solo: robusto e resistente, aplicável em água e
solo, para faixas de pH entre 0 a 14.
● Leituras de pH entre 0 e 14
● Tempo de Resposta: 95% em 1 segundo
● Temperatura de trabalho entre 1°C e 99°C
Construído com uma junção de prata e cloreto de prata, o eletrodo de pH
pode ser submergido até 343 metros sem prejuízo de seu funcionamento.
Projetado para uso em laboratório e em campo, em aplicações como
hidroponia, aquicultura, agricultura e monitoramento ambiental, apresenta
alta resistência, com expectativa de funcionamento de 2 anos ininterruptos.
Placa com Conector BNC para unir EZO e Eletrodo: de fácil montagem
para conectar qualquer eletrodo de pH à placa EZO.
Soluções de Calibração 4,00; 7,00; 10,00 pH: ideais para manutenção do
bom funcionamento e precisão das leituras do sensor de pH.
● 3 frascos contendo 125 ml de solução nas concentrações de 4, 7 e 10
pH
● 1 frasco contendo 125 ml de solução estoque
● Padronizado seguindo referências certificadas NIST
Discussão da Física envolvida
Como funciona?
O eletrodo de pH mede a atividade do íon hidrogênio em um determinado líquido.
Na ponta de um eletrodo de pH há uma membrana de vidro. Esta membrana de
vidro permite que os íons de hidrogênio do líquido que está sendo medido se
dissolvam na camada externa do vidro, enquanto os íons maiores permanecem na
solução.
PULAR SLIDE
O pH é medido usando uma configuração com dois eletrodos: o eletrodo indicador e
o eletrodo de referência. Esses dois eletrodos são frequentemente combinados em
um só, o eletrodo combinado.
O eletrodo de referência é feito a partir de uma solução química de pH neutro
(geralmente cloreto de potássio) que permite a troca de íons com a solução através
de um separador poroso, formando uma conexão de resistência relativamente baixa
ao teste líquido.
O potencial desenvolvido depende de ambos os eletrodos. As condições ideais de
medição existem quando apenas o potencial do eletrodo indicador muda em
resposta à variação do pH, enquanto o potencial do eletrodo de referência
permanece constante.
PULAR SLIDE
O medidor de pH utiliza o método potenciométrico. Este método determina o pH
usando eletrodos e um medidor, medindo as diferenças de potencial (tensão) que
são proporcionais à concentração de íons de hidrogênio da amostra lida.
Para um perfeito funcionamento de um eletrodo de pH, tem-se que a diferença de
potencial elétrico ideal é de -59,16 mV por unidade de variação do pH a 25ºC.
Para eletrodos de referência Ag/AgCl, espera-se que um valor de pH 7 tenha uma
leitura de 0 mV.
Ou seja, quando o pH de uma solução a 25ºC aumenta de pH 7 para pH 8 haverá
uma variação correspondente de -59,16 mV no potencial elétrico do sistema.
PULAR SLIDE
O pH 4 possui 3 pontos de pH menor que pH 7, portanto, pode-se esperar que se
leia 177,48 mV (59,16 x 3) e o tampão pH 10 deve ler -177,48 mV pelo mesmo
argumento.
A saída de tensão é positiva para soluções ácidas (pH menor que 7) e negativa para
soluções básicas (pH maior que 7
PULAR SLIDE
As inclinações deste gráfico são calculadas por uma equação que utiliza a lei dos
gases, a constante de faraday, a temperatura, o potencial total produzido entre o
eletrodo indicador e o de referência, o potencial padrão do eletrodo e a atividade do
íon hidrogênio na solução.
Essa inclinação que vimos no gráfico anterior varia com a temperatura, como mostra
na tabela. Sempre que quiser realizar uma medição de pH precisa, essa mudança
na inclinação deve ser compensada.
Essa compensação pode ser manual ou automática. Na compensação manual, é
necessária uma medição de temperatura separada e o controle de compensação
manual do medidor de pH pode ser ajustado com o valor aproximado da
temperatura. Na compensação automática, o sinal de uma sonda de temperatura
separada é transmitido para o medidor, de modo que seja possível determinar com
precisão o valor do pH da amostra naquela temperatura.
PULAR SLIDE
Neste gráfico, podemos observar o erro do medidor em unidade de pH, tendo em
vista a mudança de temperatura. Portanto a uma temperatura de 10ºC, a medição
de um pH 14 pode ter um erro de 0.3 unidades de pH. Então, é mais correto dizer
que o erro que vai acontecer não é exatamente porque o pH mudou e sim porque
existiu uma mudança no valor de inclinação. Posso dizer que é o mesmo que medir
um objeto do mesmo tamanho, mas com réguas diferentes.
Exemplos de aplicações
Além de poder utilizar na medição de pH de aquários, piscinas e lagos, o medidor
de pH pode ser bastante útil também para as indústrias em geral.
As indústrias fazem uso do medidor de pH em muitas situações. Alguns exemplos
são:
Fabricação da celulose
A medição do pH para a fabricação da celulose é fundamental para que o produto
seja de qualidade em diversas partes das etapas de produção. Além disso, as
indústrias de papel precisam de segurança nas medidas exatas do pH para que
seus resíduos não prejudiquem o ambiente.
Indústrias de alimentos
Nas indústrias de alimentos o medidor de pH é usado principalmente para impedir
que micróbios patogênicos cresçam.
Além disso, é necessário medir a fermentação de cervejas e demais bebidas que
envolvem o procedimento de fermentação.
Contudo, para que o uso seja exato, faz-se necessário um equipamento de medida
de qualidade, pois caso contrário, o alimento pode ser prejudicado.
Indústrias eletroquímicas
É utilizado nos processos e usos de metais. Nesse caso o pH é manipulado na
solução de se conseguir um material chapeado de qualidade, sendo que a
resistência à corrosão e ao desgaste são aumentados consideravelmente.
Indústrias de cosméticos
Também é utilizado para garantir a qualidade e eficiência de seus produtos. Isso
porque existe um padrão a ser seguido na produção dos cosméticose a medição do
pH aumenta a qualidade do produto.
Conclusões
Conclui-se que o medidor de pH é uma ferramenta útil para muitas áreas. Podendo
abranger diversas indústrias e ocupar também as casas das pessoas que precisam
controlar a água de suas piscinas, aquários e lagos. Porém, tem um lado não tão
bom. O medidor de pH precisa de calibração regularmente para não ler valores
errados. Para isso, é necessário doar um certo tempo para calibração e
manutenção.
Referências
“Tutorial: como medir o pH da água e do solo com Arduino?”. Disponível em:
https://www.acquanativa.com.br/aplicacoes/kit-sensor-ph-com-arduino-5-passos.htm
l. Acesso em: 30 de janeiro de 2022.
PRESLEY, Richard. “pH and Potentiometric Analysis: Theory and Practice”.
Disponível em: https://support.hach.com/ci/okcsFattach/get/1002851_5. Acesso em:
04 de fevereiro de 2022.
“pH Theory and Practice”. Radiometer Analytical. Disponível em:
https://support.hach.com/ci/okcsFattach/get/1002851_4. Acesso em 04 de fevereiro
de 2022.
“Como os valores de mV podem ser usados para solucionar problemas de pH?”.
HexiS Científica. Disponível em:
https://suporte.hexis.com.br/app/answers/answer_view/a_id/1027248/~/como-os-val
ores-de-mv-podem-ser-usados-para-solucionar-problemas-de-ph%3F-. Acesso em:
02 de fevereiro de 2022.
https://www.acquanativa.com.br/aplicacoes/kit-sensor-ph-com-arduino-5-passos.html
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https://support.hach.com/ci/okcsFattach/get/1002851_5
https://support.hach.com/ci/okcsFattach/get/1002851_4
https://suporte.hexis.com.br/app/answers/answer_view/a_id/1027248/~/como-os-valores-de-mv-podem-ser-usados-para-solucionar-problemas-de-ph%3F-
https://suporte.hexis.com.br/app/answers/answer_view/a_id/1027248/~/como-os-valores-de-mv-podem-ser-usados-para-solucionar-problemas-de-ph%3F-