pH-Meter: Funktionsweise einfach erklärt

Um den pH-Wert einer Lösung elektrochemisch zu bestimmen, werden sogenannte pH-Meter eingesetzt. Im Gegensatz zur Säure-Base-Indikation kann so ein deutlich genauerer Wert bestimmt werden. Worum es sich bei pH-Metern handelt, wie diese aufgebaut sind und was es hinsichtlich der Anwendung und der pH-Meter Funktionsweise zu beachten gibt, haben wir Ihnen in diesem Blogbeitrag kompakt zusammengestellt.

Was ist ein pH-Meter?

Ist von einem pH-Meter die Rede, so handelt es sich um ein Gerät zur elektrochemischen Bestimmung des pH-Werts einer Lösung. Es misst eine Spannung, die sich entsprechend des pH-Werts verändert. Üblicherweise sind diese Messgeräte mit einer analogen oder digitalen Anzeige ausgestattet und in vielen Bereichen zu finden. Diese werden in Laboren aller Art verwendet: von der Umwelttechnik bis hin zur Qualitätskontrolle von Erzeugnissen und Lebensmitteln.

Zu den vielen Vorteilen gegenüber anderen Bestimmungsmethoden (man denke etwa an die Titration) zählt die hohe Mess- und Anzeigegenauigkeit. Je nach Modell und Hersteller kann sie bei 0,01 pH liegen, was für besonders exakte Messwerte sorgt. pH-Meter sind übrigens nicht immer gleich – so lassen sich verschiedene Arten voneinander differenzieren, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen:
 

• ISFET: Einige pH-Meter arbeiten inzwischen mit einem Messprinzip, das auf einem ISFET (ionensensitiven Feldeffekttransistor) beruht. Dabei wird eine nachgeschaltete Elektronik genutzt, was die Standzeit des Sensors verringert und für stabilere Messwerte sorgt.
   
• Glasmembran: Klassisch sind hingegen pH-Meter mit einer Glasmembran. Diese wird auch als Elektrode bezeichnet und bildet ein elektrisches Potential durch eine Halbzellenreaktion aus. So lässt sich eine direkte Abhängigkeit der H+-Ionen-Konzentration ableiten, wodurch der pH-Wert bestimmt wird.
   
• Digitales pH-Meter: Außerdem kann zwischen digitalen und manuellen pH-Metern unterschieden werden. Digitale Modelle werden in vielen Größen, Designs und Preisklassen angeboten und lassen sich per Knopfdruck bedienen. Das erleichtert die Messung mitunter entscheidend.
   
• Manuelles pH-Meter: Dem gegenüber stehen manuelle Varianten, die in der Anschaffung üblicherweise etwas günstiger sind. Sie verfügen zumeist über eine Einstellschraube (anstelle eines Knopfes), die gelöst werden muss. Am Ende befindet sich ein Stift, der in die Lösung eingetaucht wird.

pH-Meter: Aufbau und Funktion

Obwohl nicht alle Messgeräte gleicht sind, gibt es einige grundsätzliche Ähnlichkeiten hinsichtlich des pH-Meter-Aufbaus und der Funktion. Dazu gehört beispielsweise, dass ein elektrisches Potential zur Messung herangezogen wird. Um dieses zu erzeugen, dürfen einige wichtige Bauteile nicht fehlen. Zumeist werden für die optimale Funktionsweise des pH-Meters …

• ein Membranglaswiderstand,
• eine Kontaktstelle,
• passende Membranen,
• Diaphragmen
• sowie Referenzelektrolyten benötigt.

Membranglaswiderstand

Beim Membranglaswiderstand handelt es sich um den elektrischen Innenwiderstand der Glaselektrode, der die Eigenschaften der Messkette bestimmt. Auch andere Begriffe können üblich sein, die mitunter herstellerabhängig sind. Hierbei handelt es sich allerdings nicht um eine statische Größe, sondern um einen Wert, der stark von den Einsatz- und Lagerungsbedingungen abhängig ist. Nicht zuletzt deswegen ändert er sich im Laufe der Zeit.

Um die pH-Meter Funktionsweise aufrecht zu erhalten, ist es also elementar, dieses Nutzteil zu warten und eine regelmäßige Kalibrierung durchzuführen. Nur dann kann der Gesamtwiderstand zur Bestimmung des pH-Werts durch den Membranglaswiderstand optimal gemessen werden.

Kontaktstelle/Überführung

Die Kontaktstelle, die auch als Überführung geläufig ist, dient als Berührungspunkt zwischen den beiden Lösungen – üblicherweise sind davon die Messlösung und Referenzelektrolyt-Lösung im Inneren des pH-Meters gemeint. Die Beschaffenheit dieser Kontaktstelle ist erneut modellabhängig, allerdings sind insbesondere Diaphragmen, Kapillaren oder Spalten an dieser Stelle zu finden.

Wichtig ist, dass der Widerstand zwischen den beiden Lösungen an dieser Stelle so gering wie möglich ist. Verschmutzungen tragen etwa dazu bei, dass das Signal durch einen hohen Widerstand zu instabil wird und eine Messung nicht mehr durchgeführt werden kann.

Membranen

Die Membranen im Inneren des pH-Meters werden in verschiedenen Formen hergestellt und sollten jeweils auf das eigene Anwendungsgebiet abgestimmt sein. Sie bestehen zumeist aus Glas und bilden den pH-sensitiven Teil der Elektrode. Vor allem diese Formen kommen häufig vor:

• Kugelmembran: Diese ist in den meisten Messgeräten zu finden und wird für die Messung von Flüssigkeiten eingesetzt. Die spezielle Form erlaubt es, den elektrischen Widerstand möglichst gering zu halten.
• Zylindermembran: Auch die Zylinderform kommt für Flüssigkeiten zum Einsatz und eignet sich besonders für einen Einsatz, der Anforderungen an eine robuste Mechanik des pH-Meters stellt.
• Kegelmembran: Für Pasten sind hingegen kegelförmige Membranen ideal, da diese zu gleichen Teilen robust, druckfest und anspruchslos in der Reinigung sind.
• Nadelmembran: Schließlich gibt es noch Nadelmembranen, die wiederum für halbfeste Medien verwendet werden. Durch die spitze Form können sie ganz einfach für Einstechmessungen eingesetzt werden.

Diaphragmen

Für die elektrische Verbindung zwischen der Messlösung und der Referenzlösung sind sogenannte Diaphragmen zuständig. Alternativ besitzen manche Messgeräte auch einen Spalt oder Kapillaren. Je nach Anwendungsgebiet können wieder verschiedene Ausführungen genannt werden:

Referenzelektrolyt

Ein weiteres wichtiges Bauteil im Spektrum der pH-Meter Funktionsweisen stellt das Referenzelektrolyt dar. Dieses wird für den Vergleich zur Messlösung benötigt und kann in verschiedenen Aggregatzuständen verbaut sein. Obwohl flüssige Elektrolytlösungen am häufigsten vorkommen, arbeiten manche pH-Meter auch mit gelförmigen oder festen Elektrolyten:

• Flüssig: Flüssige Elektrolyten basieren üblicherweise auf KCL oder KCL+Ag/AgCl und sind nachfüllbar, wofür das Messgerät technisch ausgelegt sein muss. Dadurch wird die Reinigung und Wartung besonders leicht und benutzerfreundlich.
   
• Gel: Gelelektrolyten sind hingegen druckresistenter und neigen weniger stark dazu, im Laufe der Zeit zu verschmutzen. Vor allem industrielle Anwendungszwecke sowie Outdoor-Messungen werden mit dieser Variante durchgeführt.
   
• Fest: Schließlich gibt es noch Festelektrolyte, die aus einem leitenden Polymer bestehen. Diese lassen sich nicht austauschen, eignen sich aber am besten für Anwendungen unter einem hohen Druckeinfluss. Daher sind sie oftmals in industriellen Bereichen im Einsatz.

Messprinzip

Um die pH-Meter Funktionsweise zu verstehen, muss kurz auf das Messprinzip eingegangen werden. Grundlage bildet die elektrochemische Bestimmung eines Potentials, die an der Glaselektrode stattfindet. Mithilfe einer Halbzellenreaktion wird dort das elektrische Potential ausgebildet, das in direkter Abhängigkeit zur Konzentration von H+-Ionen steht.

Nach der Nernst-Gleichung lässt sich ableiten, dass die Ionenkonzentration Rückschlüsse auf den pH-Wert zulässt. Folglich kann das Messgerät über die Potentialdifferenz zur Bezugselektrode bestimmen, welche Spannung vorhanden ist – und welche Ionenkonzentration dahinter steckt. Diese Spannung lässt sich linear abbilden.

Sowohl Glaselektroden als auch Feldeffekttransistoren besitzen eine entsprechende Referenzelektrolyt-Lösung im Inneren, sodass dieses Messprinzip angewandt werden kann. Allerdings gelten die ISFET-Modelle als stabiler, da sie über eine nachgeschaltete Elektronik verfügen.

pH-Meter: Funktionsweise bei digitalen und manuellen Modellen

Beim Kauf eines pH-Messgeräts kann auf eine Vielzahl von Herstellern und Modellen zurückgegriffen werden. Ein weiteres großes Unterscheidungsmerkmal stellt die Art des pH-Meters dar – hier kann zwischen digitalen und manuellen Modellen differenziert werden. Obwohl sich beide hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise ähnlich sind, kommt es vor allem beim Kalibrieren dieser pH-Messgeräte zu verschiedenen Vorgehensweisen:

• Digitale Modelle: Bei digitalen pH-Metern wird die Kalibrierung per Knopfdruck direkt ausgelöst. Die Sonde muss lediglich gereinigt und in die jeweiligen Referenzlösungen gehalten werden – der Rest erfolgt automatisch.
   
• Manuelle Modelle: Manuelle Messgeräte machen dieses Vorgang etwas aufwändiger. Anstelle eines Druckknopfes besitzen sie eine Schraube, die vor der Kalibrierung manuell gelöst werden muss. Der Stift am unteren Ende wird dann in die Pufferlösung getaucht und muss nach Beenden der Messung festgezogen werden.

Tipps zum pH-Meter

Damit der Umgang mit dem pH-Meter optimal funktioniert und die Messwerte absolut verlässlich sind, sollte auf einige Vorkehrungen bei der Wartung, Reinigung, Vorbereitung und Verwendung geachtet werden. Die folgenden Tipps und Erklärungen zur pH-Meter Funktionsweise können bereits helfen, unnötige Messfehler schon vor der Messung zu eliminieren:

• Kalibrierung: Nicht nur vor dem ersten Gebrauch, sondern auch in Abständen von maximal einem Jahr sollte das Messgerät kalibriert werden. Dafür kommt üblicherweise eine Zweipunkt-Kalibrierung zum Einsatz, die aus Pufferlösungen mit einem pH von 7,0 und einem pH von 4,0 bzw. 10,0 besteht. Mithilfe der Kalibrierung kann sichergestellt werden, dass die Messergebnisse genau bleiben.
   
• Reinigung: Außerdem muss eine regelmäßige Reinigung der pH-Elektrode Verschmutzungen erhöhen den Widerstand, sodass kein oder nur ein ungenauer pH-Wert ausgegeben wird. Zur Reinigung sollte eine passende Standard-Lösung verwendet werden, die von der Art der Verschmutzung abhängig ist.
   
• Lagerung: Darüber hinaus muss ein besonderes Augenmerk auf die Lagerung der pH-Elektrode gelegt werden. Je nach Dauer der Aufbewahrung (kurzfristig, mittelfristig oder langfristig) kommen wiederum unterschiedliche Elektrolytflüssigkeiten zum Einsatz. Sehr gut geeignet sind beispielsweise KCl-Lösungen.

Die pH-Meter Funktionsweise sollte vor dem Einsatz verstanden werden

Obwohl diese Messgeräte in unterschiedlichen Ausführungen hergestellt werden, ist die eigentliche pH-Meter Funktionsweise in den meisten Fällen äußerst ähnlich. Diese sollte vor dem Gebrauch unbedingt verstanden werden, um unnötige Messfehler und ungenaue Ergebnisse vorbeugen zu können. Informieren Sie sich am besten über den tatsächlich Aufbau, damit auch bei der Wartung und Kalibrierung nichts schief gehen kann.

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