LAPORAN TUGAS

KENDALI INDUSTRI

TEKNIK ELEKTRO

SENSOR pH (ASAM – BASA)

FLORUS HERMAN SOMARI (135114006)LEONARDUS SANDY ADE PUTRA (135114026)

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2015

A. Sejarah

pH meter adalah seperangkat alat elektronik yang terdiri dari elektroda kaca (katoda dan

anoda) yang apabila elektroda dicelupkan ke dalam suatu larutan maka akan timbul beda

potensial akibat dari ikatan hidrogen dalam larutan tersebut.

Sejarah pengukuran pH suatu larutan dengan menggunakan pH meter sistem elektrik

dimulai pada tahun 1906, ketika Max Cremer dalam sebuah penelitiannya menemukan adanya

interaksi dari aktivitas ion hidrogen yang dihubungkan dengan suatu sel akan menghasilkan

tegangan listrik. Dia menggunakan gelembung kaca yang tipis yang diisi dengan suatu

larutan  dan dimasukan ke dalam larutan yang lain dan ternyata menghasilkan tegangan listrik.

Gagasan ini kemudian dikembangkan oleh Firtz Haber dan Zygmunt Klemsiewcz yang

menemukan bahwa tegangan yang dihasilkan oleh gelembung kaca tersebut merupakan suatu

fungsi logaritmis. Pada prinsipnya pengukuran suatu pH adalah didasarkan pada potensial

elektro kimia yang terjadi antara larutan yang terdapat di dalam elektroda gelas (membrane

gelas) yang telah diketahui dengan larutan yang terdapat di luar elektroda gelas yang tidak

diketahui. Hal ini dikarenakan lapisan tipis dari gelembung kaca akan berinteraksi dengan ion

hidrogen yang ukurannya relatif kecil dan aktif, elektroda gelas tersebut akan mengukur

potensial elektro kimia dari ion hidrogen atau diistilahkan dengan potential of hydrogen.

Untuk melengkapi sirkuit elektrik dibutuhkan suatu elektroda pembanding. Sebagai catatan,

alat tersebut tidak mengukur arus tetapi hanya mengukur tegangan.

B. Pengertian pH

pH adalah potensi ion hidrogen untuk bermuatan dalam suatu senyawa. pH sangat

berhubungan erat dengan tingkat keasaman dan kebasaan dari suatu larutan. Dalam larutan

air, konsentrasi dari ion hidronium berkisar dari 10 M sampai 10-15 M. Interval ini sebaiknya

diperkecil dengan menggunakan skala logaritma keasaman, yang disebut pH.

Contoh:

Reaksi antara suatu asam lemah (HA) dengan basa kuat (NaOH), mol awal HA + NaOH A - +

H2O HA > NaOH NaOH bereaksi, maka spesi yang terdapat campuran asam lemah dengan

garamnya maka terbentuk sistem buffer. HA = NaOH HA dan NaOH habis bereaksi

menghasilkan garam dalam hal ini Anion A-, yang terhidrolisis A- + H2O HA + OH- HA <

NaOH HA habis bereaksi, pH ditentukan oleh kelebihan NaOH dalam larutan.

Menurut Sorensen, pH merupakan fungsi logaritma negatif dari konsentrasi ion H+

dalam suatu larutan, dan dirumuskan sebagai:

pH= - log[H+]

Dengan analogi yang sama untuk menentukan harga konsentrasi OH- dalam larutan

dapat digunakan rumus harga pOH.

pOH= - log[OH-]

Dalam kesetimbangan air terdapat tetapan kesetimbangan

Kw= [H+][OH-]

Dengan menggunakan konsep –log = p, maka diperoleh PKW = pH + pOH, karena pada

suhu 25oC harga Kw= 1014, maka dapat disimpulkan bahwa:

pH + pOH = 14

Pada konsentrasi yang sama, semakin kuat suatu asam semakin besar konsentrasi ion H+

dalam larutan dan itu berarti semakin kecil harga pH-nya. Jadi semakin kuat suatu asam

semakin kecil harga pH-nya.Sebliknya semakin kuat suatu basa semakin kuat besar

konsentrasi ion OH- dalam larutan.Semakin besar konsentrasi ion OH- berarti semakin kecil

ion H+ dalam larutan.

C. Prinsip Kerja Sensor pH

Prinsip kerja utama pH meter adalah terletak pada sensor probe berupa elektroda kaca

(glass electrode) dengan jalan mengukur jumlah ion H3O+ di dalam larutan. Ujung elektroda

kaca adalah lapisan kaca setebal 0,1 mm yang berbentuk bulat (bulb). Bulb ini dipasangkan

dengan silinder kaca nonkonduktor atau plastik memanjang, yang selanjutnya diisi dengan

larutan HCl (0,1 mol/dm3). Di dalam larutan HCl, terendam sebuah kawat elektroda 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.

Inti 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

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+)|

Dimana:

R = konstanta molar gas (8,314 J/mol K)

T = temperatur (Kelvin)

F = konstanta Faraday 96.485,3 C/mol

2,303 = angka konversi antara logaritma alami dengan umum

a(H3O+) = 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.

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+)

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:

Eelektrode kaca = E’ – RT/2,303F   pH

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.

Elektrode referensi memiliki nilai potensial yang konstan, sehingga persamaan

rangkaian potensiometer secara keseluruhan dapat ditulis sebagai berikut:

E = Eelektrode referensi + Eelektrode kaca

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

persamaan dasar perhitungan pH.

E = Eelektrode referensi + E’ – RT/2,303F   pH

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.

D. Komponen pada Sensor pH

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 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 Referensi

Elektrode 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.

Seperti halnya elektrode kaca, di dalam elektrode referensi juga digunakan larutan

HCl (elektrolit) yang merendam elektrode 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. 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. Termometer

Sensor 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.

Tiga 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.

4. 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.

5. 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.

Sumber referensi:

http://goelanzsaw.blogspot.co.id/2013/02/ph-meter.html

http://artikel-teknologi.com/prinsip-kerja-ph-meter/

http://artikel-teknologi.com/komponen-ph-meter/