De Programmeerbare Plantenkas: De pH Waarde Van Vloeistoffen Bepalen Met pH-Sensoren

DE PROGRAMMEERBARE PLANTENKAS: DE PH WAARDE VAN DE VLOEISTOFFEN BEPALEN MET PH-SENSOREN

Wanneer je wat serieuzer planten gaat kweken, zul je met enige regelmaat de pH-waarde van vloeistoffen moeten bepalen. Zo zul je af en toe een beetje grond in water oplossen om erachter te komen wat de pH-waarde van de grond is. Daarnaast kan het soms nodig zijn om de pH-waarde van irrigatiewater of van een mengsel van water en plantenvoeding te bepalen. Uiteraard kun je dit met een pH-teststrip doen. Als je regelmatig pH-testen uit moet voeren of wanneer je de pH-waarde van een vloeistof voor een langere tijd wilt bepalen, dan kan het beter zijn om met een digitale pH-meter te werken. Nu kun je zo'n digitale pH-meter kant-en-klaar kopen, maar dit kost meestal behoorlijk wat geld. Voor serieuze hobby kwekers kan het daarom goedkoper zijn om zelf een digitale pH-meter in elkaar te zetten en te programmeren. In dit artikel geven we een overzicht van de verschillende manieren waarop je dit kunt doen, inclusief links naar de tutorials die we gemaakt hebben voor de verschillende opstellingen, en geven we ook wat meer achtergrondinformatie over pH-elektroden.

pH-sensoren en ph-modules

Zoals je verderop in dit artikel kunt lezen, wordt er in een pH-elektrode een heel klein signaal geproduceerd. Hoe groot dit signaal precies is en of dit een positief of negatief signaal is, hangt af van de pH-waarde van de vloeistof waarmee de pH-elektrode in contact staat. Doordat het signaal dat een pH-elektrode produceert zo klein is, kan het niet direct worden opgepikt door een micro-controller. Daarom moet een pH-elektrode altijd eerst worden aangesloten op een versterker. Hieronder vindt je een overzicht de tutorials die we gemaakt hebben voor een aantal modules waarop een pH-sensor aangesloten kan worden.

MODULE

 

AANSLUITING

 

TUTORIAL

 

 

GROVE PH SENSOR MODULE
ANALOOG

 KLIK HIER

VOOR DE TUTORIAL

ANYLEAF SENSOR MODULE

I2C

 KLIK HIER

VOOR DE TUTORIAL 

De pH-sensor modules zijn voorzien van een BNC connector waar een pH-sensor op aan gesloten kan worden. In principe werken alle pH-sensoren op dezelfde manier, alleen verschillen ze in hun precisie en meetbereik door het type en de kwaliteit van de materialen die gebruikt worden om de sensor te maken. Het voordeel hiervan is dat je op een pH sensor module dus elke pH-elektrode kunt aansluiten die je wilt, zolang de elektrode maar een BNC connector heeft. Wij gebruiken in de tutorials een goedkope E201 pH-elektrode van het merk Bante, maar je kunt er ook voor kiezen om een professionele pH-sensor op de pH sensor modules aan te sluiten, die bijvoorbeeld gemaakt zijn om voor een langere tijd in een vloeistof te zitten.

De onderdelen van een pH sensor

Een pH sensor bestaat uit een langwerpige buis met aan de bovenkant een kabel die wordt aangesloten op een kant-en-klare pH-meter of ook een zelf geprogrammeerde microcontroller, zoals een Arduino UNO. Aan de onderkant van de pH sensor zit een stukje glas, meestal in de vorm van een bol, maar soms ook in de vorm van een potloodpunt. Dit stukje glas is niet zomaar glas, maar glas dat gevoelig is voor waterstofionen. Hoe dat precies werkt, dat vertellen we verder op.

Wanneer je goed naar de pH sensor kijkt, dan zie je dat erin binnenin de pH sensor twee zilverkleurige draadjes zitten. De draadjes zijn de elektrode die meestal gemaakt zijn van zilver en zilverchloride. De ene elektrode zit meer aan de buitenkant, en heet de referentie elektrode, en de andere elektrode zit meer aan de binnenkant, en wordt vaak de interne elektrode of de glaselektrode genoemd.

Rondom de twee elektrode zit een vloeistof. De referentie elektrode is omringd met een kaliumchloride-oplossing, die dus uit kalium-ionen en chloride-ionen bestaat. Rondom de interne elektrode zit ook een kaliumchloride oplossing, maar in dit geval is deze met behulp van een bufferoplossing tot een pH van 7,0 pH gebracht.

Het laatste onderdeel van de pH sensor dat van belang is, is het poreuze referentiepunt. Deze doet dienst als een zoutbrug, zoals je die wellicht nog van een scheikundeles over galvanische cellen herkent. De plaats en het materiaal van de zoutbrug verschilt per pH sensor.

onderdelen van ph sensor
combinatie ph elektrode

De glas elektrode

Het glas van het uiteinde van de pH sensor bestaat uit drie lagen. Aan de binnenkant van het glas bevindt zich de interne gel laag. Deze laag staat in contact met de interne vloeistof, die uit een oplossing van kaliumchloride bestaat die met behulp van een buffer naar een pH van 7,0 pH is gebracht. De interne gel laag wordt gevormd doordat waterstofmoleculen in de interne vloeistof waterstofbruggen vormen met de negatieve zuurstofionen die aan de buitenkant van het glas zitten. De binnenste laag is een harde glas laag. Deze laag bestaat uit silicaationen die niet kunnen bewegen. In deze laag zitten ook natrium ionen die als het ware los in de harde glas laag zitten, waardoor ze in deze laag kunnen bewegen. Ten slotte zit aan de buitenkant van het glas de externe gel laag. Deze laag staat in contact met de te testen vloeistof. Ook deze laag is ontstaan door waterstofbruggen te vormen met ofwel de watermoleculen in de bewaarvloeistof ofwel met de waterstofmoleculen in de test vloeistof.

glas elektrode

De interne gel laag en de externe gel laag zijn dus een soort overgangsfase tussen het glas en de interne vloeistof of de test vloeistof. Zodra het glas van de pH sensor uitdroogt, dan verdwijnen de gel lagen. In theorie komen de gel lagen weer terug zodra de pH sensor weer voor een lange tijd in een vloeistof wordt legt. In de praktijk blijkt dat pH sensoren die uitgedroogd zijn en daarna weer gehydrateerd worden het vaak slechter doen dan daarvoor. De sensoren worden dan meestal veel langzamer en zijn vaak minder accuraat. Het is daarom belangrijk om het glazen uiteinde van de pH sensor niet te laten uitdrogen en altijd in een speciale bewaarvloeistof te bewaren.

Doordat het glas waarvan het uiteinde van de pH sensor gemaakt is het enige onderdeel is dat reageert op de hoeveelheid waterstofionen die in de test vloeistof zitten, wordt dit glas, samen met de interne vloeistof en de interne elektrode, ook wel de glaselektrode genoemd. Hieronder vertellen we hoe de glaselektrode er voor zorgt dat er uiteindelijk een pH-waarde uit de pH-meter of uit de microcontroller komt rollen.

De werking van een pH sensor

Wanneer we de pH van iets willen weten, willen we eigenlijk weten hoeveel waterstofionen er in een vloeistof zitten. Het enige deel van de pH sensor dat verandert naarmate er minder of meer waterstofionen in een vloeistof zitten, is het glas aan het uiteinde van de pH sensor. Zoals eerder gezegd bestaat dit glas uit een interne gel laag, die in contact staat met de interne vloeistof, de harde glas laag, en de externe gel laag, die in contact staat met de test vloeistof. Afhankelijk van hoeveel waterstofionen er in de test vloeistof zitten, wordt er een soort kettingreactie op gang gebracht die er voor zorgt dat er meer of minder elektrische spanning gemeten wordt door de pH-meter of de microcontroller. Hieronder leggen we eerst uit hoe deze kettingreactie eruit ziet als de pH sensor in een zure vloeistof wordt gelegd. Verderop leggen we uit hoe dit in een basische vloeistof in zijn werk gaat.

De pH sensor in Een zure test vloeistof

De eerste stap in de kettingreactie in een zure test vloeistof begint bij de externe gel laag. Wanneer de test vloeistof zuur is, en dus veel waterstofionen bevat, dan zitten er in de test vloeistof meer waterstofionen dan dat er waterstofionen, of andere enkelvoudig positief geladen ionen, in de externe gel laag zitten. Het gevolg hiervan is dat de waterstofionen uit de test vloeistof de externe gel laag in stromen en aan de negatief geladen zuurstofdeeltjes aan de buitenkant van het glas binden. Mochten er al andere ionen dan waterstofionen aan de zuurstofdeeltjes hieraan gehecht zijn, dan stoten de waterstofionen deze weg, zodat er zelf kunnen gaan zitten. Van alle positief geladen ionen hebben waterstofionen namelijk de sterkste aantrekkingskracht, waardoor ze het van andere deeltjes “winnen” om een plaatsje op een negatief geladen deeltje te bemachtigen.

ph sensor, zuur

De volgende stap in de kettingreactie in een zure test vloeistof vindt plaats in de harde glas laag. Onder neutrale omstandigheden zitten er enkelvoudige positieve natriumionen door de harde gel laag op een willekeurige manier verspreidt. Wanneer er positief geladen waterstofionen uit de test vloeistof aan de zuurstofionen aan de buitenkant van het glas binden, dan veranderd dit. De positief geladen natrium ionen die in de buurt van de externe gel laag zitten worden als het ware weg gestoten, in de richting van de interne gel laag. Hierdoor bewegen ze dus wat dichter richting de negatief geladen zuurstof ionen die aan de kant van de interne gel laag zitten, zonder het glas te verlaten.

De volgende stap van de kettingreactie in een zure test vloeistof vindt plaats in de interne gel laag. Zoals eerder gezegd bewegen de positief geladen natriumionen, die eerst in de buurt van de externe gel laag zaten, richting de interne gel laag. Deze positief geladen natrium ionen hebben een afstotend effect op de waterstofionen die aan de interne gel laag gehecht. Eerder zeiden we dat waterstofionen het “winnen” van andere positief geladen ionen, maar in dit geval is dat niet zo. Dit komt, omdat de natriumionen nergens anders naartoe kunnen, doordat er in een zure test vloeistof meer waterstofionen in de externe gel laag zitten dan in de interne gel laag.

ph gevoelig glas, zuur

Wat er dus eigenlijk gebeurt in een zure oplossing is dat de externe gel laag van het pH gevoelige glas positiever geladen wordt, doordat er veel positief geladen waterstofionen aan de externe gel laag kleven. De interne gel laag wordt juist negatiever, doordat er hier minder positief geladen ionen aan kleven. Het chemische gradiënt loop in een zure vloeistof daarom van de externe gel laag, de hoge kant van het gradiënt, naar de interne gel laag, de lage kant van het gradiënt.

ph sensor, chemisch gradient

Het elektrische gradiënt loopt altijd in de tegengestelde richting van het chemische gradiënt. Dit betekent dat in een zure vloeistof elektrische energie van de binnenkant van de glaselektrode naar de buitenkant van de glaselektrode wordt getrokken. Door deze aantrekkingskracht vindt er een redox reactie plaats in de interne elektrode. De interne elektrode bestaat voor een deel uit zilverdeeltjes. Deze zilverdeeltjes staan in contact staan met chloorionen die in de interne vloeistof zitten. Doordat elektrische energie uit de glaselektrode wordt getrokken, vindt er een reactie tussen de zilverdeeltjes en de chloorionen plaats. De zilverdeeltjes en de chloorionen vormen namelijk zilverchloride. Wanneer dit gebeurt, dan ontstaat er een elektron, ofwel een pakketje met energie. In een zure reactie produceert de interne elektrode elektronen en werkt daarom in dat geval zoals een anode in een galvanische cel.

ph sensor, zuur

De elektronen die ontstaan wanneer zilverdeeltjes en chloorionen zilverchloride vormen stromen van de interne elektrode door het glas van de pH sensor richting de referentie elektrode. In de referentie elektrode vindt de omgekeerde redoxreactie plaats. Deze elektrode bestaat namelijk net als de interne elektrode voor een deel uit zilver en voor een deel uit zilverchloride, en maakt ook contact met een vloeistof waarin chloorionen zitten. Als de elektronen eenmaal bij de referentie elektrode aan komen, dan neemt het zilverchloride van de elektrode de elektronen op. Hierdoor wordt het zilverchloride weer ontbonden in zilverdeeltjes en negatief geladen chloorionen. In een zure oplossing werkt de referentie elektrode dus zoals een kathode in een galvanische cel.

elektronen, ph sensor, zuur

In een zure oplossing stromen de elektronen van de interne elektrode richting de referentie elektrode. Hierdoor ontstaat een positieve spanning, die de pH-meter of de microcontroller als een positief millivolt signaal registreert. Hoe groot dit signaal is, hangt er vanaf hoe snel de elektronen van de interne elektrode richting de referentie elektrode stromen. De snelheid wordt weer bepaald door hoe groot verschil is tussen het aantal waterstofionen in de interne vloeistof en de testvloeistof. Hoe zuurder de test vloeistof is, hoe sneller de redox reacties plaatsvinden en hoe sneller de elektronen gaan stromen.

ph sensor, matig zuur
ph sensor, zuur

DE PH SENSOR IN EEN basische TEST VLOEISTOF

In een basische test vloeistof gebeurt vrijwel het tegenovergestelde met de pH sensor als in de zure test vloeistof. Ook nu weer begint de reactie in de externe gel laag van het glazen uiteinde van de pH sensor. Wanneer het glas van de pH sensor in contact komt met een basische test vloeistof, dan zitten er meer positief geladen ionen in de externe gel laag dan in de test vloeistof. Zoals meestal het geval is bij chemische processen, stromen een aantal van de positief geladen ionen die in de externe gel laag zitten richting de test vloeistof om een chemisch evenwicht te bereiken. Ondanks dat dit een groot effect heeft op de werking van de pH sensor, stromen er zo weinig ionen in de test vloeistof dat dit geen effect heeft op de eigenschappen van de test vloeistof als een geheel.

ph sensor, basisch

Doordat er positief geladen ionen uit de externe gel laag stromen, wordt de externe gel laag iets negatiever geladen dan eerder. Als een reactie hierop bewegen de positief natriumionen die zich in de harde glas laag bevinden richting de externe glas laag, zonder de harde glas laag te verlaten. De positief geladen natriumionen worden namelijk aangetrokken door de negatieve lading van de externe gel laag.

ph sensor, glas elektrode, basisch

Doordat de natriumionen meer aan de kant van de externe gel laag gaan zitten, worden de waterstofionen uit de interne vloeistof aangetrokken richting de interne gel laag. Door het hechten van positief geladen waterstofionen aan de interne gel laag wordt deze dus wat positiever geladen. Het chemische gradiënt loopt in het geval van een basische vloeistof dan ook van de interne gel laag, waar de meeste waterstofionen zitten, richting de test vloeistof, waar de minste waterstofionen zitten.

elektrochemisch gradient, ph sensor

Aangezien het elektrische gradiënt nu van de buitenkant van de glaselektrode richting de binnenkant van de glaselektrode loopt, vindt er ook een andere reactie plaats in de interne elektrode. In een basische vloeistof stromen elektrode van de referentie elektrode richting de interne elektrode. In de referentie elektrode worden er nu zilverdeeltjes en chloorionen omgezet in zilverchloride en losse elektronen, terwijl in de interne elektrode nu juist elektronen worden opgenomen om zilverchloride om te zetten in zilverdeeltjes en chloorionen. In een basische vloeistof werkt de interne elektrode dus als een kathode en de referentie elektrode als een anode.

ph sensor, basisch

De referentie elektrode wordt meestal aangesloten op de aarde aansluiting, terwijl de interne elektrode wordt aangesloten op de aansluiting voor het signaal. Hierdoor wordt bij de meeste pH-meters en microcontrollers het signaal van de interne elektrode van het signaal van de referentie elektrode af getrokken. In een zure oplossing stromen de elektronen van de interne elektrode weg, waardoor het signaal van de interne elektrode lager is en er dus een positief aantal millivolt wordt gemeten. In een basische oplossing stromen de elektronen de andere kant op, waardoor het signaal van de interne elektrode hoger is dan het signaal van de referentie elektrode, en er dus een negatief aantal volt wordt gemeten.

ph sensor, anode, kathode

Het aantal gemeten millivolt bevat dus eigenlijk twee stukjes informatie. Allereerst verteld de grootte van het cijfer dat er op de pH-meter staat of uit de microcontroller komt hoe snel de elektronen van de ene naar de andere elektrode stromen. Hoe groter dit cijfer is, hoe sterker de oplossing is. Als er bij vloeistof A 200 millivolt wordt gemeten en bij vloeistof B 400 millivolt wordt gemeten, dan weet je dus dat vloeistof B sterker is dan vloeistof A. Daarnaast verteld het plus of min teken voor het cijfer of het om een zure of basische oplossing gaat. Staat er een plus, dan is de oplossing zuur, en staat er een min, dan is de oplossing basisch, tenzij de pH sensor anders wordt aangesloten dan de meeste gangbare pH sensoren.

ph sensor, matig basische vloeistof
ph sensor, sterk basische oplossing

VRAGEN EN OPMERKINGEN

We proberen de serie "De Programmeerbare Plantenkas" zo toegankelijk mogelijk te maken voor iedereen. Toch zijn sommige concepten best wel ingewikkeld, omdat er kennis van heel veel verschillende domeinen, zoals natuurkunde, elektrotechniek en computerwetenschappen, samen komen. Het kan daarom best zijn dat we iets niet goed uitgelegd hebben. Mocht er iets niet duidelijk zijn of iets niet zo werken zoals we het in deze tutorial uitgelegd hebben, stuur dan gerust een berichtje via de Disqus op deze pagina. Je kunt de Disqus vinden door naar beneden te scrollen, tot onder de advertenties.

Bronnen en verder lezen