Ratgeber
Ob eine Flüssigkeit basisch oder sauer ist, spielt in zahlreichen Prozessen eine wichtige Rolle. Aufschluss bietet der pH-Wert auf einer Skala von 0 bis 14, gemessen mit speziellen pH-Messgeräten, oft auch als pH-Meter bezeichnet.
In unserem Ratgeber machen wir Sie mit der Funktion und der Anwendung dieser Geräte vertraut.
Die quantitative Information, die dieser Wert liefert, drückt den Grad der Intensität einer Säure oder Base aus. Maßgeblich ist die Aktivität der enthaltenen Wasserstoff-Ionen. Die pH-Zahl einer Substanz steht in direktem Zusammenhang mit den Konzentrationen von positiv geladenen Wasserstoff-Ionen und negativ geladenen Hydroxy-Ionen, vereinfacht ausgedrückt von H-Ionen und OH-Ionen.
Ist die H-Konzentration größer als die OH-Konzentration, ist das Material sauer, das heißt, der pH liegt unter 7. Umgekehrt ist das Material basisch, wenn der pH-Wert über 7 liegt. Sind H- und OH-Ionen in gleicher Menge vorhanden, ist das Material neutral, der pH-Wert liegt dann genau bei 7.
Der pH-Wert ist nicht als klassische physikalische oder chemische Größe beziehungsweise Einheit zu verstehen, sondern als numerischer Indikator auf einer Skala von 0 bis 14. Verwandt ist der pH-Wert mit dem EC-Wert. EC steht für electric conductivity und bezeichnet die Leitfähigkeit von Wasser. Gemessen wird der EC-Wert in der Regel in Mini-Siemens pro Zentimeter.
Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Ein pH-Wert von 7 ist neutral und eine Eigenschaft von reinem Wasser.
pH < 7 kennzeichnet saure wässrige Lösungen – pH = 7 kennzeichnet reines Wasser – pH > 7 kennzeichnet basische wässrige Lösungen
Der Stromkreis eines pH-Messgeräts entspricht im Wesentlichen dem eines Spannungsmessers, der die Messung statt in Volt in pH-Werten anzeigt. Wegen des hohen Widerstands der in Glas eingebetteten pH-Elektroden ist die Eingangsimpedanz des Messgeräts sehr hoch. Sie kann bis zu 1000 Megohm betragen.
In der Regel besteht die Schaltung eines einfachen pH-Meters aus Operationsverstärkern in einer invertierenden Konfiguration. Die Verstärker wandeln die von der Sonde bei der Messung erzeugten kleinen Spannungen in pH-Einheiten um, wobei die Gesamtverstärkung bei etwa -17 liegt.
Pro pH-Einheit handelt es sich um 0,059 Volt, bei sauren Lösungen mit positivem, bei basischen Lösungen mit negativem Vorzeichen. Um auf den pH-Wert zu kommen, werden zur gemessenen Spannung 7 Volt addiert. Dazu ein Beispiel:
Beim neutralem pH-Wert 7 beträgt die Spannung am Ausgang der Sonde 0 Volt. 0 mal 17 plus 7 ergibt 7. Bei einem alkalischen pH-Wert reicht die Spannung am Ausgang der Sonde von größer als 0 Volt bis +0,41 Volt. Die Multiplikation dazu lautet 7 mal 0,059 gleich 0,41.
Für eine Probe mit einem pH-Wert von 10 – also 3 pH-Einheiten von neutral entfernt – gilt 3 mal 0,059 gleich 0,18 Volt. Das Messgerät rechnet daher 0,18 mal 17 plus 7 gleich 10.
Bei einem sauren pH-Wert rutscht die Spannung in den negativen Bereich, sie reicht dann von -0,7 Volt bis kleiner als 0 Volt. Für eine Probe mit einem pH-Wert von 4 – ebenfalls 3 pH-Einheiten vom neutralen Wert entfernt, aber in die andere Richtung: 3 mal 0,059 gleich 0,18 Volt. Die Rechnung lautet diesmal -0,18 mal 17 plus 7 gleich 4.
Geräte zur Messung des pH-Werts sind sowohl als handliche Mobilmodelle mit Batterie- oder Akkubetrieb als auch für den stationären Betrieb verfügbar. Tragbare pH-Messgeräte ähneln typischen Multimetern, sie besitzen eine LCD-Anzeige und Bedienungselemente. Statt Messkabeln verwenden sie allerdings einen Messfühler. Der enthält an der Spitze im Allgemeinen eine Glassonde mit den pH-Elektroden.
Neben der Messung des pH-Werts bieten einige Typen Zusatzfunktionen an, dazu gehören zum Beispiel die Ermittlung des Redox-Potenzials, der elektrischen Leitfähigkeit oder der Temperatur. Vielfach finden sich auch Schnittstellen zur Datenübertragung wie Bluetooth, BNC- und RS-232-Buchsen.
Die weitaus meisten elektronischen pH-Messgeräte sind nach Werksstandard kalibriert, möglich ist aber auch eine Kalibrierung nach ISO. Diese präzisen Voreinstellungen bedeuten allerdings nicht, dass pH-Messgeräte zu jeder Zeit und unter allen Bedingungen absolut korrekte Werte anzeigen.
Eine pH-Messung bietet nie einen100-prozentige Genauigkeit, es bleiben immer Rest-Ungenauigkeiten, wenn auch in sehr kleinen Größenordnungen. Umso wichtiger ist es, ein pH-Messgerät von Zeit zu Zeit zu kalibrieren.
Die Kalibrierung mit zwei oder drei Pufferlösungen als Referenz wird häufig bei jedem Messvorgang durchgeführt – obwohl moderne pH-Meter ihre Kalibrierung etwa einen Monat lang halten können. Einer der Puffer besitzt meist einen pH-Wert von 7,01, ist also nahezu neutral. Die zweite Pufferlösung wird so ausgewählt, dass sie dem pH-Bereich entspricht, in dem die pH-Wert-Messungen vorgenommen werden sollen. Der liegt normalerweise bei 10,01 für basische Lösungen und bei 4,01 für saure Lösungen.
Wichtig: Der pH-Wert der Kalibrierlösungen ist nur bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius gütig!
Die Verstärkungs- und Offset-Einstellungen des Messgeräts sind wiederholt anzupassen, während die Sonde abwechselnd in die beiden Kalibrierlösungen gesteckt wird, bis in beiden Lösungen genaue Messwerte erreicht worden sind. Bei der Kalibrierung wird die von den Elektroden erzeugte Spannung – in der Regel 0,059 Volt pro pH-Einheit – mit der pH-Skala korreliert.
Nach der Kalibrierung ist die Sonde in destilliertem und deionisiertem Wasser zu spülen, um alle Spuren der Pufferlösung zu entfernen. Dann erfolgt das Abtupfen der Sonde mit einem sauberen Tuch und das Eintauchen in die Messlösung.
Zwischen den Einsätzen sollte die Sondenspitze in einer Aufbewahrungslösung getaucht sein. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Membran in der Sondere austrocknet und das Gerät keine brauchbaren Werte mehr liefert. Üblich ist die Aufbewahrung in einer sauren Lösung mit dem pH-Wert von etwa 3. Alternativ lässt sich auch eine Kalibrierungslösung mit pH 7,01 verwenden, was jedoch eine häufigere Kalibrierung erforderlich macht. In Notfällen ist Leitungswasser verwendbar. Destilliertes oder deionisiertes Wasser darf aber niemals für eine längerfristige Aufbewahrung der Sonde verwendet werden, da das relativ ionenlose Wasser Ionen aus den Elektroden saugt, wodurch diese beschädigt werden.