pH-Laborinstrumente

Die Elektrochemie befasst sich mit chemischen Reaktionen, die in einer Lösung ablaufen und bei denen Elektronen zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten übertragen werden. Elektrochemische Messwerte beinhalten:

• pH-Wert
• Leitfähigkeit (Cond)
• Redoxpotenzial (ORP)
• Ionenkonzentration (ISE)
• Gelöster Sauerstoff (DO)

Mithilfe der pH-Skala wird der Säuregehalt oder die Basizität einer wässrigen Lösung angegeben. Der pH-Wert korreliert mit der Konzentration (genauer gesagt der Aktivität) von Wasserstoffionen. Lösungen mit einem pH-Wert kleiner als 7 sind sauer (hohe Konzentration von Wasserstoffionen). Lösungen mit einem pH-Wert grösser als 7 sind basisch (niedrige Konzentration von Wasserstoffionen).

Der pH-Wert wird gemessen für:

• die Herstellung von Produkten mit definierten Eigenschaften
  
• die Herstellung von Produkten zu geringeren Kosten
  
• die Sicherstellung der Qualität der Produkte, um Schäden für Menschen, Materialien und die Umwelt zu vermeiden
  
• die Einhaltung regulatorischer Bestimmungen
• den Schutz von Geräten
  
• Erwerb von Kenntnissen für Forschung und Entwicklung

pH-Laborinstrumente werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, z. B.:

• Pharma und Biotechnologie
• Molkereiprodukte
• Böden und Abwasseraufbereitung
• Kosmetik
• Wasserfiltration
  
• Lebensmittel und Getränke

Ausserdem werden pH-Instrumente für Anwendungen ausserhalb des Labors benötigt. Dazu gehören Standorte in der Nähe von oder bei der industriellen Produktion und im Feld (zur Messung von Wasser, Abwasser, Boden usw.).

Die zur Durchführung der Messung des pH-Werts notwendigen Hilfsmittel sind relativ unkompliziert und liefern bei richtiger Anwendung zuverlässige Messergebnisse. Ein typisches Labor-pH-Instrument besteht aus folgenden Teilen:

• pH-Messgerät: Ein Potentiometer, das die Spannungsdifferenz zwischen der Glaselektrode und einer Referenzelektrode misst und den pH-Wert berechnet.
• Sensoren: Eine Referenz- und eine pH-Elektrode zur Vervollständigung des Stromkreises. Heutzutage können sie kombiniert werden und werden dann als kombinierte pH-Elektroden bezeichnet.

Andere benötigte Werkzeuge sind:

• Kalibrierlösungen: Vor der Messung des pH-Werts einer Probe müssen zwei oder mehr Referenzlösungen mit bekannten pH-Werten zur Kalibrierung der verwendeten pH-Elektrode verwendet werden.
• Probe: Die Probe ist die zu messende Lösung. Sie muss wässrig sein oder genügend Wasser enthalten, damit die pH-Messung möglich ist.

Ja, pH-Wert und Leitfähigkeit hängen zusammen, aber nicht linear oder in absoluter Weise.
Ein pH-Sensor reagiert ausschliesslich auf H⁺ in einer Lösung, während bei der Leitfähigkeit die Sensoren die Aktivität aller in einer Lösung vorhandenen geladenen Ionen (Anionen und Kationen) messen. Je höher die Konzentration der Ionen, desto höher die Leitfähigkeit.

Darüber hinaus hat die Mobilität eines Ions einen verstärkenden Einfluss auf die Leitfähigkeit. Unter den gängigen Ionen in einer Lösung ist das mobilste Kation das Wasserstoffion [H⁺] mit einem Wert von 350 Einheiten und das mobilste Anion das Hydroxylion [OH^-] mit 199 Einheiten. Andere gängige Ionen haben Werte zwischen 40 und 80 Einheiten. Das bedeutet, dass stark saure (oder stark basische) Lösungen hohe Leitfähigkeiten aufweisen. Da der pH-Wert ein Mass für die Konzentration von Wasserstoffionen ist, gelten die folgenden Regeln:

• In sauren Lösungen (< pH 7): Je niedriger der pH-Wert (d. h. je höher die H⁺-Konzentration), desto höher die Leitfähigkeit.
  
• In basischen Lösungen (> pH 7): Die Leitfähigkeit steigt mit der Erhöhung des pH-Werts (Zunahme der OH^--Ionen).
  
• Der neutrale pH-Wert (pH 7) ist auf die gleiche Konzentration von H⁺- und OH^--Ionen zurückzuführen. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Lösung keine anderen Ionen enthält, die zur Leitfähigkeit der Lösung beitragen würden.
  
  

Ein Beispiel: Der pH-Wert von entionisiertem Wasser liegt theoretisch bei 7,0 und die Leitfähigkeit bei 0,055 µS/cm. Wenn man NaCl-Salz hinzufügt, wird die resultierende NaCl-Lösung immer noch einen neutralen pH-Wert haben, aber die Leitfähigkeit der Lösung kann je nach Menge des hinzugefügten NaCl stark ansteigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der pH-Wert und die Leitfähigkeit einer Probe für jede einzelne Probe separat bestimmt werden müssen und nicht theoretisch korreliert werden können.

pH-Messungen hängen von der Temperatur der Probe ab. Die folgenden Punkte sind wichtig zu beachten:

a. Einfluss der Temperatur auf die Steilheit einer Elektrode:
Die pH-Elektrode liefert ein Potential (mV) zwischen der Mess- und der Referenzhalbzelle. Das pH-Laborinstrument berechnet aus diesem Potential den pH-Wert. Dafür wird der temperaturabhängige Faktor -2,3 * R * T / F verwendet, wobei R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin und F die Faraday-Konstante ist. Bei 298 K (25 °C) beträgt der Faktor -59,16 mV/pH. Dies ist die theoretische Steilheit der Elektrode bei der Referenztemperatur (25 °C). Bei unterschiedlichen Temperaturen können die Steilheitswerte entsprechend berechnet werden. Beispiele: -56,18 mV/pH bei 10 °C, -58,17 mV/pH bei 20 °C, -60,15 mV/pH bei 30 °C usw. Dieser Einfluss der Temperatur auf die pH-Messung wird durch eine automatische (ATC) oder manuelle Temperaturkompensation (MTC) korrigiert. Daher ist es wichtig, die Temperatur einer Probe zu kennen oder eine Temperatursonde zu verwenden. Eine falsch eingestellte Temperatur führt zu einem Fehler von 0,12 pH-Einheiten pro 5 °C Differenz.

b. Die Temperatur beeinflusst den pH-Wert einer Probe:
Der pH-Wert einer Probe ändert sich mit der Temperatur. Dies ist ein chemischer Effekt und daher für jede Art von Probe individuell. Dieser Einfluss kann nicht kompensiert werden; es wird nur der tatsächliche pH-Wert bei der aktuellen Temperatur angezeigt. Daher ist es wichtig, nur pH-Werte zu vergleichen, die bei der gleichen Temperatur gemessen wurden.

Ausnahme: Die Temperaturabhängigkeit des pH-Werts vieler handelsüblicher Pufferlösungen ist im Instrument gespeichert. Dadurch kann die Elektrode bei verschiedenen Temperaturen kalibriert werden, da die gemessenen Potentiale auf 25 °C oder 20 °C bezogen werden. Um diese Funktion zu nutzen, ist es wichtig, die richtige Puffergruppe auszuwählen und die Temperatur während der Kalibrierung zu messen.

Die Leitfähigkeitsmessung ist stark temperaturabhängig (etwa 2 % Abweichung pro °C). Die Ergebnisse können nur verglichen werden, wenn die Temperatur aller Proben identisch ist oder wenn sich der Wert auf eine bestimmte Referenztemperatur bezieht.

In den meisten Fällen wird die lineare Temperaturkompensation verwendet. Der Bediener muss 20 °C oder 25 °C als Referenztemperatur wählen. Die Differenz zwischen der gemessenenTemperatur und der Referenztemperatur wird dann mit einem Kompensationsfaktor namens α (Einheit; %/°C) multipliziert, der wiederum die Leitfähigkeit kompensiert.

Für eine korrekte Durchführung muss der lineare Kompensationskoeffizient α für jede Probe bestimmt werden. Auch wenn die Temperaturabhängigkeit als linear angesehen wird, hängt dieser „lineare“ Koeffizient in Wirklichkeit von der Ionenkonzentration und der Temperatur einer Probe ab. Die Werkseinstellung für α ist 2,00 %/°C. Bei allen Five- und Seven-Messgeräten kann α von 0,00 %/°C – also ohne jegliche Temperaturkompensation – bis 10 %/°C eingestellt werden.

Das pH-Kompetenz- und Support-Center für Laboranalysen (pH CSC) von METTLER TOLEDO besteht aus einem Team von Experten in der direkten elektrochemischen Analyse. Da das Team im steten Austausch mit Kunden, dem technischen Support sowie der Produktentwicklung und dem Produktmanagement steht, können Sie sich auf schnelle Hilfe und effektive Lösungen verlassen. Profitieren Sie vom besten Service im Bereich der pH-Analyse!

Der technische und applikative Support umfasst die folgenden Messparameter und die zugehörige pH-Labor-Ausrüstung von METTLER TOLEDO:

• pH-Wert
• Redoxpotential (ORP)
• Ionenkonzentration (ISE)
• Leitfähigkeit
• Gelöster Sauerstoff (DO)