Eine Einleitung in pH-Meter und pH-Elektroden
Da die genaue Messung der pH-Werte bestimmter Lösungen oder Substanzen in vielen Situationen eine wesentliche Variable darstellt, sind pH-Meter in vielen industriellen Anwendungen gängige Messgeräte. Ein pH-Meter ist ein elektrisches Gerät, das die Wasserstoffionenaktivität (Säuregrad oder Alkalität) in einer Lösung misst – was letztlich als pH-Wert ausgedrückt wird – und aus einem Voltmeter besteht, das mit einer pH-Messelektrode und einer Referenzelektrode verbunden ist.
Was ist eine pH-Elektrode?
pH-Elektroden sind analytische Sensoren, die zur Messung des Wasserstoffpotentials (pH) oder des negativen Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität in einer Lösung verwendet werden. Die Technologie hinter pH-Elektroden hat sich in den letzten etwa fünfzig Jahren nicht wesentlich verändert, dennoch bleibt die Herstellung von pH-Elektroden eine Kunst. pH-Elektroden bestehen aus einem Glas mit einer speziellen Zusammensetzung, das die Wasserstoffionenkonzentration erfassen kann. Der spezielle Glaskörper einer Elektrode wird von Glasbläsern in seine Form geblasen. Dies ist weder ein besonders fortschrittlicher noch ein besonders „hochtechnologischer” Prozess, aber dennoch ein sehr kritischer und wichtiger Schritt bei der Herstellung von pH-Elektroden.
Kombinierte pH-Elektroden
Bei einer kombinierten pH-Elektrode, der am häufigsten verwendeten Elektrodenvariante, sind die pH-Messelektrode und die Referenzelektrode in einem Gehäuse untergebracht. Das an der Verbindungsstelle des Messabschnitts erzeugte Potenzial ist auf die in einer bestimmten Lösung vorhandenen freien Wasserstoffionen zurückzuführen. Das Potenzial des Referenzteils wird durch das interne Element erzeugt, das mit der Referenzfülllösung in Kontakt steht – und dieses Potenzial ist immer konstant. Bei einer kombinierten pH-Elektrode liefert die Messelektrode eine variable Spannung und die Referenzelektrode eine konstante Spannung an das Messgerät. Das von der pH-Elektrode erzeugte Spannungssignal ist ein sehr kleines Signal mit hoher Impedanz. Die Eingangsimpedanz erfordert, dass sie nur mit Geräten mit hochohmigen Schaltungen verbunden wird. Die erforderliche Eingangsimpedanz beträgt mehr als 1013 Ohm – aus diesem Grund können pH-Elektroden nicht direkt mit allen Geräten verbunden werden.
pH-Kombinationselektroden mit Glasgehäuse und nachfüllbar
pH-Kombinationselektroden sind in verschiedenen Ausführungen für Labor- und Industrieanwendungen erhältlich. Alle bestehen aus Glas und sind daher bruchanfällig. Die Elektroden sind für die Messung von überwiegend wässrigen Medien ausgelegt. Sie sind nicht für den Einsatz in Lösungsmitteln wie CC14 geeignet, die keine freien Wasserstoffionen enthalten.
Aufgrund ihrer Konstruktion ist es unerlässlich, dass pH-Elektroden stets feucht gehalten werden. Um ordnungsgemäß zu funktionieren, muss der Glaskörper einer pH-Elektrode hydratisiert sein – dies ist für den Ionenaustauschprozess erforderlich. Sollte eine Elektrode trocken werden, sollte sie am besten eine halbe Stunde lang in Leitungswasser gelegt werden, um das Glas zu konditionieren.
Kombinierte pH-Elektroden sind wie Batterien: Sie verlieren mit der Zeit und durch den Gebrauch an Leistung. Mit zunehmendem Alter einer Elektrode ändert sich der Widerstand ihres Glaskörpers. Diese Widerstandsänderung verändert das Elektrodenpotenzial, weshalb Elektroden regelmäßig kalibriert werden müssen. Die Kalibrierung in einer pH-Pufferlösung korrigiert diese Änderung. Die Kalibrierung von pH-Geräten sollte immer mit Puffer 7,0 beginnen, da dies der „Nullpunkt” ist. Die pH-Skala hat eine entsprechende mV-Skala. Der Messbereich der mV-Skala reicht von +420 bis -420 mV. Bei einem pH-Wert von 7,0 beträgt der mV-Wert 0. Jede pH-Änderung entspricht einer Änderung von +/- 60 mV. Je saurer die pH-Werte werden, desto größer werden die mV-Werte. Beispielsweise entspricht ein pH-Wert von 4,0 einem Wert von 180 mV. Mit zunehmender Basizität der pH-Werte werden die mV-Werte negativer; pH = 9 entspricht -120 mV. Eine doppelte Kalibrierung mit Puffern 4,0 oder 10,0 sorgt für eine höhere Systemgenauigkeit.
Wie misst eine kombinierte pH-Elektrode den pH-Wert?
Kombinierte pH-Elektroden sind so konzipiert, dass Wasserstoffionen in der Lösung eine selektive Barriere passieren können, wodurch eine messbare Spannungsdifferenz zwischen der pH-Messelektrode und der Referenzelektrode entsteht, die proportional zum pH-Wert der Lösung ist. Bei einem pH-Wert von sieben, der neutral ist, erzeugen die Elektroden beispielsweise eine Spannung von null Volt zwischen sich. Bei einem niedrigeren pH-Wert, also bei Säure, entsteht eine Spannung einer Polarität. Bei einem hohen pH-Wert, also bei Lauge/Alkalität, entsteht eine Spannung der entgegengesetzten Polarität.
pH-Messgeräte
Zur Überwachung des pH-Werts in industriellen Anwendungen wird die kombinierte pH-Elektrode an ein pH-Messgerät angeschlossen, bei dem es sich im Wesentlichen um einen hochohmigen Verstärker handelt, der die Elektrodenspannungen genau misst und die Ergebnisse direkt in pH-Einheiten auf einem digitalen Display anzeigt.
Tragbares pH/mV-Temperaturmessgerät Wartung von Kombinations-pH-Elektroden
Die Verbindungsstelle einer pH-Elektrode kann durch Partikel in der Lösung verstopft werden und auch die Vergiftung durch in der Lösung vorhandene Metallionen begünstigen. Bei Verdacht auf eine verstopfte Verbindungsstelle sollte die Elektrode am besten in warmem Leitungswasser eingeweicht werden, um die Materialien aufzulösen und die Verbindungsstelle zu reinigen. pH-Elektroden sollten immer in feuchtem Zustand gelagert werden. Wenn die Elektrode nicht verwendet wird, sollte sie am besten in einer sauren Lösung wie einem 4,0-Puffer aufbewahrt werden. Bewahren Sie eine Elektrode niemals in destilliertem oder entionisiertem Wasser auf, da dies zu einer Migration der Fülllösung aus der Elektrode führt. pH-Elektroden haben aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften eine begrenzte Lebensdauer. Wie lange eine pH-Elektrode hält, hängt davon ab, wie sie gepflegt wird und welche Lösungen damit gemessen werden. In der Regel hält eine gelgefüllte Kombinations-pH-Elektrode je nach Pflege und Anwendungen sechs Monate bis zu einem Jahr. Auch wenn eine Elektrode nicht verwendet wird, altert sie dennoch. Im Regal sollte die Elektrode etwa ein Jahr lang haltbar sein, wenn sie in einem feuchten Zustand aufbewahrt wird. Das Ende der Lebensdauer einer Elektrode lässt sich in der Regel an einer trägen Reaktion, unregelmäßigen Messwerten oder einem Messwert, der sich nicht ändert, erkennen. In diesem Fall kann eine Elektrode nicht mehr kalibriert werden. pH-Elektroden sind empfindlich und haben eine begrenzte Lebensdauer. Wie lange eine Elektrode hält, hängt davon ab, wie gut die Sonde bei der Wartung behandelt wird und wie sie bei den Anwendungen eingesetzt wird – je rauer das System, desto kürzer die Lebensdauer. Aus diesem Grund ist es immer ratsam, eine Ersatzelektrode zur Hand zu haben, um Systemausfälle zu vermeiden. Die Kalibrierung ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil der Wartung der Elektroden. Sie stellt nicht nur sicher, dass die Elektrode ordnungsgemäß funktioniert, sondern auch, dass das System korrekt im Betrieb arbeitet.
