Ratgeber
Messgeräte für den pH-Wert sind in zahlreichen industriellen, gewerblichen und labortechnischen Anwendungen unverzichtbar. Von der Abwasserkontrolle bis zur Lebensmittelherstellung. Wesentlich für die Qualität des Messergebnisses ist die pH-Elektrode. In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie diese Sonde funktioniert und worauf bei Reinigung und Aufbewahrung zu achten ist.
1. Anschlussleitungen | 2. Referenzelektrode (Bezugselektrode) | 3. Messelektrode (pH-Elektrode) | 4. Elektrolyt | 5. Glasmembran | 6. Diaphragma (stellt den elektrischen Kontakt zwischen Referenzelektrode und Messlösung her, wobei kein Stoffaustausch stattfindet) | 7. Innenpuffer | 8. pH-Messgerät
Der pH-Wert beschreibt den Grad des Säure- oder Alkaligehalts einer Lösung, gemessen auf einer Skala von 0 bis 14. Basis für die Messung ist die Aktivität von elektrisch geladenen Atomen oder Molekülen, den Ionen. Sie steht in direktem Zusammenhang mit dem Verhältnis von positiv geladenen Wasserstoffionen – abgekürzt mit H+ oder einfach H – zu negativ geladenen Hydroxylionen beziehungsweise OH- oder einfach OH.
Ist die H-Konzentration größer als die OH-Konzentration, ist das Material sauer, das heißt, der pH-Wert liegt unter 7. Bei größerer OH-Konzentration reagiert das Material basisch, der Wert liegt über 7. Sind beide Ionen in gleicher Menge vorhanden, ist das Material neutral, der Wert liegt dann genau bei 7.
- Saure, wässrige Proben: pH < 7
- Reines Wasser: pH 7
- Basische, wässrige Proben: pH >7
Einen groben Hinweis auf den pH-Wert ermöglichen pH-Papiertester oder flüssige Indikatoren, die je nach Wert die Farbe des Teststreifens beziehungsweise der Probe ändern. Diese Indikatoren verfügen allerdings nur über eine begrenzte Genauigkeit und können bei gefärbten oder trüben Proben schwer zu interpretieren sein.
Genauere pH-Messungen sind mit einem pH-Messgerät möglich. Es besteht normalerweise aus zwei Teilen: einer externen Sonde und einem Messgerät mit hoher Eingangsimpedanz. Die Übertragung der von der Sonde aufgenommen elektrischen Signale an das Messgerät erfolgt in der Regel über ein Kabel.
Am Sondenkopf befindet sich im Allgemeinen die sogenannte pH-Einstabmesskette. Das Gehäuse ist meist aus Glas. Es enthält die eigentliche pH-Elektrode zur Messung des Werts, eine pH-Elektrode zur Referenzmessung, eine Pufferlösung mit einem Wert von 7 sowie gegebenenfalls einen Temperatursensor. Beide Elektroden der pH-Einstabmesskette bestehen aus mit Silberchlorid überzogenem Silberdraht. Für den Kontakt
Die pH-Elektrode zur Messung lässt sich von der Funktion mit einer elektrischen Energiequelle vergleichen, deren Spannung mit dem pH-Wert der gemessenen Lösung variiert. Kommt die Elektrode mit einer elektrisch leitfähigen Probe in Berührung, produziert sie eine Spannung im Millivoltbereich. Dabei gilt: Je saurer die Lösung, desto höher ist der Gehalt an Wasserstoffionen und desto größer ist die generierte Spannung.
Die Referenzelektrode oder auch Bezugselektrode hat nichts mit der Aktivität des Wasserstoffionen in der Probe zu tun. Sie hat ausschließlich Kontakt mit der neutralen Referenzlösung, dem so genannten Innenpuffer. H- und OH-Ionen sind darin zu gleichen Anteilen vorhanden, der Puffer wird deshalb mit dem Wert 7 definiert. Es kann allerdings zu kleinen Unterschieden zwischen den Messergebnissen mit unterschiedlichen Elektroden kommen. Außerdem verändert sich der eigentlich neutrale Wert im Lauf der Zeit. Daher ist das System in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren.
Der Kontakt zwischen der Referenzlösung und der Messlösung erfolgt über ein so genanntes Diaphragma. Darunter ist eine Art Scheidewand zu verstehen, die beide Lösungen voneinander trennt aber dennoch eine elektrolytische Leitung der Spannung ermöglicht. Für Partikel ist das Diaphragma nur schwer durchdringbar, wobei Keramik als Basismaterial des Diaphragmas Partikeln den größten Widerstand entgegensetzt.
Es gibt Kalibrierlösungen mit einer breiten Palette von pH-Werten. Sie sind sowohl in vorgemischter flüssiger Form als auch als praktische Trockenkapseln erhältlich. Die meisten pH-Meter erfordern eine Kalibrierung bei mehreren bestimmten pH-Werten. Eine Kalibrierung wird in der Regel in der Nähe des Isopotentialpunkts durchgeführt: Das von einer Elektrode bei pH 7 erzeugte Signal beträgt dabei 0 Millivolt bei 25 Grad Celsius. Eine zweite Kalibrierung erfolgt in der Regel entweder bei pH 4 oder pH 10. In der Praxis haben sich Kalibrierlösungen etabliert, die dem tatsächlichen pH-Wert der zu messenden Probe möglichst nahe kommen.
Das Messgerät zur Auswertung der von der Sonde erzeugten Signale ist im Grunde ein Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz. Es misst die winzigen Elektrodenspannungen und zeigt die Ergebnisse direkt in pH-Werten auf einem analogen oder digitalen Display. In einigen Fällen sind auch Spannungen für spezielle Anwendungen oder für die Verwendung mit ionenselektiven Elektroden oder mit Elektroden für das Oxidations-Reduktions-Potential darstellbar.
Möglichkeiten für die Temperaturkompensation sind in vielen Geräten standardmäßig enthalten – denn pH-Elektroden sind temperaturempfindlich:
Je höher die Temperatur der Probe, desto aktiver sind die Wasserstoffionen. Es wird dann ein höherer als der tatsächliche Wert angezeigt. Die Referenztemperatur beträgt im Allgemeinen 25 Grad Celsius.
Kompensieren lässt sich die Temperatur entweder manuell oder automatisch. Bei der manuellen Kompensation ist eine separate Temperaturmessung erforderlich.
Bei der automatischen Temperaturkompensation, kurz ATC, wird das Signal einer separaten Temperatursonde in das pH-Meter eingespeist und der angezeigte Wert entsprechend korrigiert.
Lässt sich auch der Wert von Bodenproben ermitteln?
Durchaus, die entsprechenden Glaselektroden besitzen dazu in der Regel eine spitze Sonde, die in den – möglichst feuchten – Boden gesteckt wird. Das Funktionsprinzip solcher pH-Meter ist identisch dem normaler Messgeräte für den Wert von Lösungen.
Was ist bei der Lagerung von pH-Elektroden zu beachten?
Um stets korrekte Ergebnisse der pH-Wert-Messung zu erhalten, ist die Elektrode immer feucht zu halten. Dazu gibt es spezielle Aufbewahrungslösung wie pH-4- und pH-7 Puffer. Zu vermeiden ist jedoch die Lagerung in destilliertem oder deionisiertem Wasser, da dies die Hydratationsschicht von nachfüllbaren Glas-pH-Elektroden erschöpft und die Lebensdauer von nicht nachfüllbaren Elektroden verkürzt.
Wenn die Glaselektrode nicht hydratisiert wurde – das heißt, länger als eine Stunde in der Lösung gelegen hat –, ist die Elektrode vor der Kalibrierung oder Messung in einem Puffer vorzugsweise mit pH 4 einzuweichen. Dies trägt zur Optimierung und Wiederherstellung der dünnen Glasmembran auf dem Sensorkolben bei, die für die pH-Messung entscheidend ist.
Worauf kommt es bei der Reinigung von pH-Elektroden an?
Nach dem Gebrauch sollten die Elektroden bis zu 60 Minuten in einer Reinigungslösung liegen, bevor sie in die Aufbewahrungslösung kommen. Das ist besonders wichtig für pH-Glaselektroden, die mit proteinreichen Produkten wie Mayonnaise verwendet werden, die sich sonst mit der Zeit ablagern und die Elektrodenverbindung blockieren können.
Wenn die Glaselektrode zusätzlich physisch gereinigt werden muss, um externes Probenmaterial zu entfernen, empfiehlt sich ein weiches Tuch, das mit einem milden Reinigungsmittel oder Methylalkohol getränkt ist. Das Glas der Sonde nicht abwischen, sondern nur abtupfen!
Sind pH-Elektroden untereinander kompatibel?
Jede pH-Elektrode ist für eine Gruppe von Messgeräte konstruiert, sie sind in der Regel also nur mit Geräten eines bestimmten Herstellers kompatibel. Bei der Beschaffung ist auf diese Angabe unbedingt zu achten.