ग्लास इलेक्ट्रोड

ग्लास इलेक्ट्रोड एक प्रकार का आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड होता है जो डोप्ड ग्लास झिल्ली से बना होता है जो एक विशिष्ट आयन के प्रति संवेदनशील होता है। pH के मापन के लिए आयन-चयनात्मक ग्लास इलेक्ट्रोड का सबसे सामान्य अनुप्रयोग है।  pH इलेक्ट्रोड ग्लास इलेक्ट्रोड का एक उदाहरण है जो हाइड्रोजन आयनों के प्रति संवेदनशील होता है। ग्लास इलेक्ट्रोड रासायनिक विश्लेषण और भौतिक-रासायनिक अध्ययन के लिए उपकरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। ग्लास इलेक्ट्रोड का वोल्टेज, कुछ संदर्भ मान के सापेक्ष, निश्चित प्रकार के आयनों की गतिविधि में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील होता है।

इतिहास
ग्लास इलेक्ट्रोड (जीई) के पहले अध्ययन में क्षार धातु आयनों के प्रभाव के कारण माध्यम की अम्लता ( pH) को बदलने के लिए विभिन्न ग्लासों की विभिन्न संवेदनशीलता पाई गई।

1906 में, एरिका क्रेमर के पिता, एम. क्रेमर ने निर्धारित किया कि कांच की झिल्ली के विपरीत किनारों पर स्थित द्रव के कुछ भागों के बीच उत्पन्न होने वाली विद्युत क्षमता अम्ल की सांद्रता (हाइड्रोजन आयन सांद्रता) के समानुपाती होती है।

1909 में, एस.पी.एल. सॉरेन्सन ने pH की अवधारणा पेश की, और उसी वर्ष एफ. हैबर और जेड. क्लेमेंसिविक्ज़ ने कार्लज़ूए में द सोसाइटी ऑफ़ केमिस्ट्री में ग्लास इलेक्ट्रोड पर अपने शोध के परिणामों की सूचना दी थी। 1922 में, डब्ल्यू.एस. ह्यूजेस ने दिखाया कि क्षार-सिलिकेट जीई (GE) हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के समान है, जो H+ के संबंध में उत्क्रमणीय है।

1925 में, पी.एम. टूकी केरिज ने रक्त के नमूनों के विश्लेषण के लिए पहला ग्लास इलेक्ट्रोड विकसित किया और उपकरण के साथ कुछ व्यावहारिक समस्याओं जैसे कांच के उच्च प्रतिरोध (50-150 MΩ) पर प्रकाश डाला। अपनी पी.एचडी के दौरान, केरिज ने लघु ग्लास इलेक्ट्रोड विकसित किया, रक्त ताप पर प्लेटिनम क्लोराइड के साथ प्लेटिनम का उपचार करके उपकरण के सतह क्षेत्र को अधिकतम किया, इस प्रकार एक बहुत बड़े संकेत को सक्षम किया उसका डिज़ाइन आज उपयोग किए जाने वाले कई ग्लास इलेक्ट्रोड का पूर्ववर्ती था।

अनुप्रयोग
प्रायः pH माप के लिए ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। लिथियम, सोडियम, अमोनियम और अन्य आयनों की सांद्रता के निर्धारण के लिए उपयोग किए जाने वाले विशेष आयन संवेदनशील ग्लास इलेक्ट्रोड भी हैं।

ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग शुद्ध अनुसंधान, औद्योगिक प्रक्रियाओं के नियंत्रण, खाद्य पदार्थों और सौंदर्य प्रसाधनों के विश्लेषण, पर्यावरण संकेतकों के मापन, और माइक्रोइलेक्ट्रोड माप जैसे सेल झिल्ली विद्युत क्षमता और मिट्टी की अम्लता सहित अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला में किया गया है।

प्रकार
लगभग सभी वाणिज्यिक इलेक्ट्रोड एकल-आवेशित आयनों, जैसे H+, Na+, Ag+ पर प्रतिक्रिया करते हैं। pH-इलेक्ट्रोड सबसे सामान्य ग्लास इलेक्ट्रोड है। केवल कुछ कैल्कोजिनाइड ग्लास इलेक्ट्रोड दोहरे आवेशित आयनों के प्रति संवेदनशील होते हैं, जैसे Pb2+, Cd2+ और कुछ अन्य।

दो मुख्य ग्लास बनाने वाली प्रणालियाँ हैं- सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) के आणविक नेटवर्क पर आधारित सिलिकेट मैट्रिक्स अन्य धातु आक्साइड के साथ, जैसे कि Na, K, Li, Al, B, Ca, इत्यादि और AsS, AsSe, AsTe के आणविक नेटवर्क पर आधारित क्लैकोजिनाइड मैट्रिक्स।

व्यतिकारी आयन
कांच की झिल्ली की आयन-विनिमय प्रकृति के कारण, कुछ अन्य आयनों के लिए कांच के आयन-विनिमय केंद्रों के साथ समवर्ती रूप से परस्पर प्रभाव संभव है और pH या अन्य इलेक्ट्रोड फलनों पर मापा इलेक्ट्रोड क्षमता की रैखिक निर्भरता को विकृत करता है। कुछ स्थितियों में, इलेक्ट्रोड फलन को एक आयन से दूसरे आयन में बदलना संभव होता है। उदाहरण के लिए, कुछ सिलिकेट pPNAइलेक्ट्रोड को चांदी के नमक के विलयन में भिगोकर pAg फलन में बदला जा सकता है।

व्यतिकारी प्रभाव प्रायः अर्ध-अनुभवजन्य निकोल्स्की-शुल्ट्ज़-ईसेनमैन समीकरण (निकोलस्की-शुल्ट्ज़-ईसेनमैन समीकरण के रूप में भी जाना जाता है) द्वारा वर्णित किया जाता है, जो नर्नस्ट समीकरण का विस्तार है। द्वारा दिया गया है
 * $$E=E^0 + \frac{RT}{z_iF} \ln \left [ a_i + \sum_{j} \left ( k_{ij}a_j^{z_i/z_j} \right ) \right ]$$

जहाँ E ईएमएफ (emf) है, E0 मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, z चिह्न सहित आयनिक संयोजकता, a गतिविधि, i रुचि का आयन, j व्यतिकारी आयन और kij चयनात्मकता गुणांक है। चयनात्मकता गुणांक जितना छोटा होता है, j द्वारा व्यतिकरण उतना ही कम होता है।

pH-इलेक्ट्रोड पर Na+ के व्यतिकारी प्रभाव को देखने के लिए-
 * $$E=E^0 + \frac{RT}{F} \ln \left ( a_{\text{H}^+} + k_{\text{H}^+,\text{Na}^+}a_{\text{Na}^+} \right )$$

pH ग्लास इलेक्ट्रोड की श्रेणी
स्थिर सांद्रता पर pH श्रेणी को 3 भागों में विभाजित किया जा सकता है- * सामान्य इलेक्ट्रोड फलन का पूर्ण प्रत्यक्षीकरण, जहां संभावित रूप से pH पर रैखिक रूप से निर्भर करता है, हाइड्रोनियम के लिए आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड को प्रत्यक्ष करता है।
 * $$E=E^0 - \frac{2.303RT}{F} \text{pH}$$

जहाँ F फैराडे स्थिरांक है (नर्नस्ट समीकरण देखें)। प्रभाव प्रायः pH > 12 पर और 0.1 मोल प्रति लीटर या अधिक लिथियम या सोडियम आयनों की सांद्रता पर ध्यान देने योग्य होता है। सोडियम आयनों की तुलना में पोटेशियम आयन प्रायः कम त्रुटि का कारण बनते हैं। अत्यधिक pH श्रेणी में काम करने के लिए विशिष्ट इलेक्ट्रोड उपस्थित हैं।
 * क्षार त्रुटि श्रेणी - हाइड्रोजन आयनों की कम सांद्रता ( pH के उच्च मान) पर व्यतिकारी क्षार धातुओं (जैसे Li, Na, K) का योगदान हाइड्रोजन आयनों में से एक के साथ तुलनीय है। इस स्थिति में pH पर विभव की निर्भरता अरैखिक हो जाती है।
 * अम्लीय त्रुटि श्रेणी - हाइड्रोजन आयनों की बहुत अधिक सांद्रता ( pH के कम मान) पर pH पर इलेक्ट्रोड की निर्भरता अरैखिक हो जाती है और विलयन में आयनों का प्रभाव भी ध्यान देने योग्य हो जाता है। ये प्रभाव प्रायः pH < -1 पर ध्यान देने योग्य हो जाते हैं।

निर्माण
विशिष्ट आधुनिक pH जांच एक संयोजन इलेक्ट्रोड है, जो ग्लास और मानक इलेक्ट्रोड दोनों को मुख्य भाग में जोड़ता है। संयोजन इलेक्ट्रोड में निम्नलिखित भाग होते हैं (चित्र देखें)-


 * 1) इलेक्ट्रोड का संवेदी भाग, विशिष्ट कांच से बना बल्ब
 * 2) आंतरिक इलेक्ट्रोड, प्रायः सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड या कैलोमेल इलेक्ट्रोड
 * 3) आंतरिक विलयन, प्रायः pH इलेक्ट्रोड के लिए 0.1 mol/L KCl का pH=7 बफर विलयन या pM इलेक्ट्रोड के लिए 0.1 mol/L MCl
 * 4) सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड का उपयोग करते समय, AgCl की थोड़ी मात्रा ग्लास इलेक्ट्रोड के अंदर अवक्षेपित हो सकती है
 * 5) मानक इलेक्ट्रोड, प्रायः 2 के समान प्रकार
 * 6) मानक आंतरिक विलयन, प्रायः 3.0 mol/L KCl
 * 7) अध्ययन किए गए विलयन के साथ जोड़, प्रायः ऐस्बेस्टॉस या क्वार्ट्ज फाइबर के साथ सिरेमिक या केशिका से बना होता है।
 * 8) इलेक्ट्रोड का मुख्य भाग, गैर-प्रवाहकीय कांच या प्लास्टिक से बना होता है।

pH इलेक्ट्रोड का निचला भाग एक गोल पतले कांच के बल्ब में बाहर निकलता है। pH इलेक्ट्रोड को नलिका के भीतर नलिका के रूप में सबसे अच्छा माना जाता है। आंतरिक नलिका में अपरिवर्तित 1×10−7 mol/L HCl विलयन होता है। इसके अलावा आंतरिक नलिका के अंदर मानक जांच का कैथोड टर्मिनस है। एनोडिक टर्मिनस आंतरिक नलिका के बाहर चारों ओर लपेटता है और उसी प्रकार की मानक जांच के साथ समाप्त होता है जैसा कि आंतरिक नलिका के अंदर था। यह KCl के मानक विलयन से भरा हुआ है और  pH जांच के बाहर विलयन के साथ एक छिद्रपूर्ण प्लग के माध्यम से संपर्क करता है जो लवण सेतु के रूप में कार्य करता है।

गैल्वेनिक सेल योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व
यह खंड इकाई के रूप में दो अलग-अलग प्रकार के इलेक्ट्रोड की कार्यप्रणाली का वर्णन करता है जो ग्लास इलेक्ट्रोड और मानक इलेक्ट्रोड दोनों को मुख्य भाग में जोड़ता है। यह कुछ स्पष्टीकरण के योग्य है।

यह उपकरण अनिवार्य रूप से गैल्वेनिक सेल है जिसे योजनाबद्ध रूप से दर्शाया जा सकता है-


 * ग्लास इलेक्ट्रोड || मानक विलयन || परीक्षण विलयन || ग्लास इलेक्ट्रोड
 * Ag(s) | AgCl(s) | KCl(aq) || 1×10−7M H+ विलयन || कांच की झिल्ली || परीक्षण विलयन || जंक्शन || KCl(aq) | AgCl(s) | Ag(s)

गैल्वेनिक सेल के इस योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व में, बाएं और दाएं सदस्यों के बीच समरूपता को "परीक्षण विलयन" (वह विलयन जिसका pH मापा जाना चाहिए) द्वारा अधिकृत पंक्ति के केंद्र से देखा जाएगा। दूसरे शब्दों में, कांच की झिल्ली और सिरेमिक जंक्शन प्रत्येक संबंधित इलेक्ट्रोड (सांकेतिक (संवेदी) इलेक्ट्रोड या मानक इलेक्ट्रोड) में समान सापेक्ष स्थान पर रहते हैं। दोगुना "पाइप चिह्न" (||) एक विसारक अवरोध को इंगित करता है जो विभिन्न विलयनों के मिश्रण को रोकता (कांच झिल्ली), या धीमा (सिरेमिक जंक्शन) करता है। बाएँ और दाएँ एक ही इलेक्ट्रोड का उपयोग करके, अंतरापृष्ठ पर उत्पन्न कोई भी क्षमता एक दूसरे को (सिद्धांत रूप में) रद्द कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप सिस्टम वोल्टेज केवल ग्लास झिल्ली और परीक्षण विलयन की परस्पर क्रिया पर निर्भर होता है।

इलेक्ट्रोड का मापने वाला भाग, नीचे कांच का बल्ब, एक हाइड्रेटेड जेल की ~ 10 एनएम (nm) परत के साथ अंदर और बाहर दोनों को लेपित किया जाता है। इन दोनों परतों को शुष्क कांच की एक परत द्वारा अलग किया जाता है। सिलिका ग्लास संरचना (अर्थात, इसकी परमाणु संरचना की रचना) को आकार दिया गया है ताकि यह Na+ आयनों को कुछ गतिशीलता प्रदान कर सके। हाइड्रेटेड जेल में धातु के धनायन (Na+) कांच से बाहर और विलयन में फैल जाते हैं जबकि विलयन से H+ हाइड्रेटेड जेल में फैल सकते हैं। यह हाइड्रेटेड जेल है जो  pH इलेक्ट्रोड को आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड बनाता है।

H+ pH इलेक्ट्रोड के कांच झिल्ली के माध्यम से पार नहीं करता है, यह Na+ है जो मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन को पार करता है और आगे बढ़ता है। जब एक आयन गतिविधि के एक क्षेत्र से गतिविधि के दूसरे क्षेत्र में फैलता है, तो मुक्त ऊर्जा परिवर्तन होता है और  pH मीटर वास्तव में यही मापता है।हाइड्रेटेड जेल झिल्ली Na+ परिवहन द्वारा जुड़ा हुआ है और इस प्रकार झिल्ली के बाहर H+ की सांद्रता Na+ द्वारा झिल्ली के अंदर 'रिले' की जाती है।

सभी ग्लास pH इलेक्ट्रोडों में 50 से 500 MΩ तक अत्यधिक उच्च विद्युत प्रतिरोध होता है। इसलिए, ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग केवल उच्च इनपुट-प्रतिबाधा मापने वाले उपकरण जैसे  pH मीटर, या अधिक सामान्य रूप से, उच्च इनपुट-प्रतिबाधा वोल्टमीटर के साथ किया जा सकता है जिसे विद्युतमापी कहा जाता है।

सीमाएं
इसके निर्माण की प्रकृति के कारण ग्लास इलेक्ट्रोड की कुछ अंतर्निहित सीमाएँ हैं। अम्ल और क्षार की त्रुटियों की चर्चा ऊपर की गई है। असममिति विभवों के अस्तित्व से महत्वपूर्ण सीमा का परिणाम है जो ग्लास/तरल अंतरापृष्ठों पर उपस्थित हैं। इन परिघटनाओं के अस्तित्व का अर्थ है कि ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग करने से पहले हमेशा अंशांकन किया जाना चाहिए अंशांकन की सामान्य विधि में मानक बफर विलयनोंं का उपयोग सम्मिलित होता है। इसके अलावा, आंतरिक विलयन में और बाहर प्रसार के कारण धीमी गिरावट होती है। इन प्रभावों को छुपाया जाता है जब इलेक्ट्रोड को बफर विलयन के खिलाफ अंशांकन किया जाता है लेकिन ग्रैन प्लॉट के माध्यम से आदर्श प्रतिक्रिया से विचलन आसानी से देखा जाता है। प्रायः, इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया की ढाल महीनों की अवधि में घट जाती है।

संचयन
माप के बीच किसी भी ग्लास और झिल्ली इलेक्ट्रोड को अपने स्वयं के आयन के विलयन में रखा जाना चाहिए। कांच की झिल्ली को सूखने से रोकना आवश्यक है क्योंकि प्रदर्शन हाइड्रेटेड परत के अस्तित्व पर निर्भर करता है, जो धीरे-धीरे बनता है।

यह भी देखें

 * पोटेंशियोमेट्री
 * आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड
 * आईएसएफईटी (ISFET) pH इलेक्ट्रोड
 * कैल्कोजिनाइड ग्लास
 * क्विनहाइड्रोन इलेक्ट्रोड
 * ठोस अवस्था इलेक्ट्रोड

संदर्भ
E. P. Nikol'skii, M. M. Schul'tz, et al., Vestn. Leningr. Univ., Ser. Fiz. i Khim., 18, No. 4, 73-186 (1963) (This series of articles summarizes Russian work on the effect of varying the glass composition on electrode properties and chemical stability of a great variety of glasses)

बाहरी संबंध

 * pH electrode practical/theoretical information
 * Titration with the glass electrode and pH calculation - freeware