pH-Meter

Die pH-Wert Skala
Der vom pH-Wert vom pH-Messgerät beschreibt die Konzentration gelöster Wasserstoff-Ionen und ist für viele chemische und biochemische Reaktionen von großer Bedeutung. Die pH-Skala leitet sich aus dem negativen Exponenten der Oxonium-Ionen-Konzentration ab, sie ist also logarithmisch aufgebaut. Am sogenannten Neutralpunkt pH 7 sind die Ionenkonzentrationen von Oxonium und Hydroxid mengenmäßig genau identisch. Dieser pH-Wert wird beim pH-Meter zum Beispiel bei reinem Wasser oder neutralisierten Lösungen angezeigt. Bei pH Messgerät Werten unterhalb 7 ist die Konzentration an Oxonium-Ionen höher und die Lösung reagiert sauer. Werte oberhalb von 7 bedeuten dagegen einen höheren Anteil an Hydroxid-Ionen, solche Lösungen reagieren alkalisch.

100 = 1 10-1 = 0,1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 10-4 =0,0001 10-5 = 0,00001 10-6 = 0,000001 10-7 =0,0000001

Das Diagramm zeigt die klassische pH-Skala mit Werten von 0 bis 14 und darunter die entsprechenden Konzentrationen der aus Wassermolekülen gebildeten Oxonium- und Hydroxid- Ionen. Dabei steht die Summenformel H3O+ für das positiv geladene Oxonium-Ion, das häufig auch als Hydronium-Ion bezeichnet wird und das OH- steht für das negativ geladene Hydroxid-Ion. Wer die beiden oberen Zahlenreihen vergleicht, erkennt, dass die Ziffern der pH-Wert Skala jeweils den Exponenten der Zehnerpotenz der Oxonium-Ionen Konzentration mit umgekehrtem Vorzeichen entsprechen. Beim Vergleich der beiden unteren Zahlenreihen wird deutlich, dass die Summe der Exponenten von Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen immer -14 ergibt.

Warum kann es zu negativen pH-Werten kommen?
Der pH-Wert gibt die in einer wässrigen Lösung enthaltene Menge gelöster Wasserstoff-Ionen bzw. deren Aktivität an. Ist die Menge der Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. gebunden als H3O+) gleich der Menge der Hydroxid-Ionen (OH-), wird die Lösung wird als pH neutral bezeichnet. Das entspricht einem pH-Messgerät Anzeige Wert von 7, der in reinem Wasser bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius vorliegt. Sobald aber andere Stoffe im Wasser gelöst sind, wie in Leitungswasser oder in Regenwasser, das Stoffe aus der Luft aufgenommen hat, kann sich der pH-Wert verschieben. Dies passiert aber nur, wenn die gelösten Stoffe das Gleichgewicht entweder zugunsten der Hydronium-Ionen oder zugunsten der Hydroxid-Ionen beeinflussen. Bei einem Überschuss von Wasserstoff-Ionen wird der pH-Wert bei einem pH-Meter kleiner und die Lösung wird als sauer bezeichnet. Überwiegt die Menge der Hydroxid-Ionen, wird der pH-Wert größer und die Lösung wird basisch bzw. alkalisch. Je stärker der Mengenunterschied zwischen Wasserstoff- und Hydroxid-Ionen, desto weiter entfernt sich der pH-Wert von der 7.

Säuren bringen beispielsweise viele zusätzliche Wasserstoff- Ionen ein und verschieben dadurch den pH-Wert nach unten. Für die meisten Anwendungen genügt ein pH-Messgerät, das üblicherweise eine pH-Wert Skala von 0 bis 14 pH verwendet. Starke Säuren können aber das Gleichgewicht so stark verschieben, dass es zu negativen pH-Werten kommt. Die möglichen Zahlenwerte sind aber durch die Löslichkeit der Säuren in Wasser begrenzt. In extrem saurem Grubenwasser eines Bergbaus in Kalifornien sollen aber schon pH-Meter pH-Werte bis zu -3,6 festgestellt haben. Fast jedes pH-Messgerät kann nur Werte innerhalb des Messbereichs von 0 bis 14 erfassen, was für die Vielzahl der Anwendungen auch völlig ausreichend ist. Es sind aber seit einiger Zeit auch digitale pH-Meter mit erweitertem Messbereich verfügbar. Mit so einen pH-Messgerät können auch negative pH-Werte bis zu -1 oder beziehungsweise bis zu – 2 schnell und unkompliziert gemessen werden.

Der pH-Wert von Salzsäurelösung bei unterschiedlicher Konzentration:

Kann ein pH-Messgerät pH-Werte über 14 anzeigen?
So, wie pH-Werte unterhalb von 0 bei sehr sauren Lösungen auftreten, gibt es auch basische Substanzen, deren hochkonzentrierte wässrige Lösungen pH Werte oberhalb von 14 aufweisen. Dazu gehört beispielsweise Natronlauge. Da der Messbereich der üblichen pH-Meter bei 14 endet, können diese keine höheren Werte bestimmen. Für die Messung dieser stark alkalischen Lösungen wird ein pH-Meter mit erweitertem Messbereich benötigt. Es sind bereits pH-Messgerät Modelle verfügbar, die pH-Werte bis 15, bis 16 oder sogar bis zum pH-Wert 20 messen können.

Der pH Wert von Natronlauge bei unterschiedlicher Konzentration:

Messfehler beim pH-Messgerät bei starken Säuren und Laugen
Bei starken Säuren, vor allen bei pH-Werten kleiner 2 und bei starken Laugen mit pH-Werten größer 12 kann es zu erheblichen Messfehlern bei einem normalen pH-Messgerät kommen. Beim Säurefehler werden zu hohe pH-Werte und beim Alkalifehler zu niedrige pH-Werte angezeigt, meist dadurch, dass die Membranschicht der Elektrode durch die Lösung verändert wird. Müssen Lösungen mit solchen Werten geprüft werden, sollte darauf geachtet werden, ein pH-Meter zu wählen, dessen pH-Elektrode für diese Messbereiche geeignet ist. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass die zur Kalibrierung verwendeten Pufferlösungen bei einem pH-Messgerät den gewünschten Messbereich einschließen sollen. Wenn pH-Werte unterhalb 2 gemessen werden sollen, ist eine Kalibrierung mit den üblichen Kalibrierlösungen mit pH 4,0, pH 7,0 also nicht zu empfehlen. Stattdessen sollten dann spezielle Pufferlösungen für qualitativ hochwertige pH-Meter beispielsweise mit pH 1,0 und pH 2,0 verwendet werden.

Ein pH-Messgerät ist ein Messinstrumente zur Anzeige des pH-Wertes einer wässrigen Lösung. Dabei wird der Wert auf elektrochemischem Wege bestimmt und nicht über Säure-Base-Indikatoren (Streifen). Das meist verwendete Prinzip benutzt das Potential einer Glaselektrode. Eine Halbzellenreaktion an der Glasmembran bildet dort ein elektrochemisches Potenzial aus, welches in direkter Abhängigkeit zur H-Ionen-Konzentration steht. Aus der Potenzialdifferenz zu Bezugselektroden entsteht eine Spannung, die weitgehend linear den pH-Wert abbildet. Als ph-Messgerät Bezugselektrode dient in den meisten Fällen eine Silber-Silberchlorid-Zelle, welche mit der Glaselektrode zu einer Einstab-Messkette zusammengebaut ist. Die Bezugselektrode ist über ein Diaphragma mit der zu messenden Lösung verbunden, das meist aus Glasschwamm, Keramik oder Platinschwamm besteht. Die jeweilige Elektrode der verwendeten pH-Messgeräte ist bei Nichtgebrauch zumindest in einem Becherglas mit Leitungswasser, am besten aber in einer Salz-Aufbewahrungslösung.

Bitte beachten Sie immer bei der Verwendung der pH-Messgeräte:
Bei dauerhaftem Einsatz oder aber, wenn das pH-Messgerät längere Zeit nicht benutzt wurde, muss rekalibriert werden. Die natürliche Drift, der die pH-Elektroden unterliegen, muss beseitigt werden. Die meisten der pH-Messgeräte besitzen eine interne Kalibrierfunktion, sodass Sie die Kalibrierung nicht mehr über Trimmerschrauben am pH-Meter durchführen müssen. In jedem Fall benötigen Sie aber die entsprechenden Kalibrierlösungen, die PCE Instruments in verschiedenen Varianten (meist als Kit in Tüten) passend zu den jeweiligen Messgeräten anbietet.

pH-Wert-Kontrolle mittels pH-Meter in Trink- und Abwasser
Der pH-Wert, ein Parameter, der durch die Konzentration von Wasserstoffionen in einer wässrigen Lösung definiert ist, hat einen bestimmenden Einfluss auf jede chemische Reaktion, die in dieser Lösung stattfindet, und zwar in dem Maße, dass er je nach seinem Wert eine bestimmte chemische Reaktion zulässt oder nicht zulässt. Daraus lässt sich leicht ableiten, dass sowohl die Kontrolle mittels einem pH-Messgerät als auch die Handhabung des pH-Wertes entscheidend sein werden, sowohl bei der Kontrolle von Trinkwasser für den menschlichen Gebrauch als auch bei der Behandlung des Abwassers selbst.

Bei der Behandlung von Abwasser reduziert sich das Problem im Wesentlichen auf die Eliminierung aller Arten von organischen Verbindungen und anorganischen toxischen Elementen (Schwermetalle usw.), die infolge der städtischen Nutzung oder industrieller Einleitungen im Wasser enthalten sein können.

Im Allgemeinen beginnt der Abwasserreinigungsprozess je nach Herkunft des Abwassers in der Regel mit rein physikalischen Prozessen zur Trennung der größeren Elemente (Abfall, organische oder anorganische Elemente der entsprechenden Größe, ect). Bei diesen vorbereitenden physikalischen Prozessen, wie Sieben, Filtern oder Dekantieren der am leichtesten trennbaren Fraktionen, spielt der pH-Wert keine so entscheidende Rolle. Von diesem Zeitpunkt an und in den folgenden Phasen wird jedoch der pH-Wert (zusammen mit anderen grundlegenden Parametern wie der Anwesenheit von Sauerstoff und der Temperatur) für den Abschluss des Abwasserbehandlungsprozesses entscheidend sein. Hier kommt dem pH-Meter eine besonderer Rolle zu.

Die einfache Tatsache, dass der pH-Wert des Wassers zu niedrig oder im Gegenteil zu hoch ist, ist bereits an sich ein entscheidender Faktor dafür, dass das Wasser nicht für die Einleitung in die Umwelt (in Seen, Flüsse usw.), geschweige denn für den menschlichen Verbrauch geeignet ist. Schon aus diesem Grund ist es notwendig, den pH-Wert des Wassers mittels einem pH-Messgerät zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren. Aber seine Auswirkungen gehen in den Reinigungsprozessen viel weiter. Zum Beispiel bei der Entfernung von Schwermetallen und anderen toxischen anorganischen Elementen, die durch ein erstes Screening mit physikalischen Mitteln nicht entfernt werden konnten. Der pH-Wert bzw. die Konzentration von Hydrogenionen oder Hydroxylgruppen im wässrigen Medium, je nachdem, ob es sich um ein saures oder alkalisches Medium handelt, beeinflusst ob eine bestimmte Metallverbindung im Wasser gelöst bleibt, oder im Gegenteil, dass sie mit den Hydroxylgruppen zu mehr oder weniger unlöslichen Salzen reagiert. Dadurch ist die Separierung von den übrigen Bestandteilen des Wassers durch die Anwendung einer der ursprünglich beschriebenen physikalischen Methoden deutlich einfacher.

Jede Verbindung hat bestimmte pH-Werte, bei denen wir sie in der einen oder anderen chemischen Form vorfinden können, sodass die kluge Steuerung und Kontrolle des pH-Wertes durch ein pH-Messgerät den Erfolg oder Misserfolg der Reinigung bestimmter Elemente markieren wird.

Schließlich ist der entscheidende Einfluss des pH-Wertes auf die Eliminierung aller Arten von pathogenen Mikroorganismen bekannt. Diese Mikroorganismen, wie z.B. das Enterobakterium Escherichia coli, können z.B. durch die Einleitung von Abwasser oder Fäkalien im Abwasser vorhanden sein. Eine Behandlung, die darin besteht, den pH-Wert unter einen bestimmten Wert abzusenken (je nach den Krankheitserregern, auf die wir uns konzentrieren wollen), kann enorm effektiv sein, um entsprechende Ziele zu erreichen. Es liegt auf der Hand, dass es nach dieser Behandlung unerlässlich ist, den pH-Wert auf Werte zurückzuführen, die näher an neutral und mit dem Rest der Lebewesen kompatibel sind, bevor er in die Umwelt abgegeben wird.

Gerade bei der Chlorierung von Wasser, um es genusstauglich und trinkbar zu machen, ist ebenfalls wieder der vom pH-Messgerät ermittelten pH-Wert entscheidend dafür, ob der Prozess wirklich effektiv ist oder nicht. Aus ähnlichen Gründen, wie sie bereits für andere im Wasser vorhandene anorganische Verbindungen erwähnt wurden, wird auch im Falle von Chlor der pH-Wert für die Bildung der einen oder anderen Art von Verbindung entscheidend sein und den Unterschied ausmachen, ob Chlor tatsächlich seine desinfizierende Wirkung entfaltet oder nicht. Neben anderen Faktoren, die Einfluss haben können, wie z.B. die Wasserhärte, verhindern pH-Werte unter 6,5 - 6 oder über 8 die Wirksamkeit des Verfahrens.

Wie allgemein bekannt, ist der pH-Wert nichts anderes als ein Maß für die Aktivität von Wasserstoffionen in einer bestimmten Lösung, und sein Wert bestimmt letztendlich, wie sauer oder alkalisch das Medium ist, in dem er mitteles einem pH-Messgerät gemessen wird. Nur wenn man diese erste Definition berücksichtigt, ist der Einfluss auf die Qualität sowohl von Lebensmitteln als auch von Obst und Gemüse offensichtlich: Der Säuregehalt wird letztendlich ein bestimmender Faktor bei der Definition des Geschmacks eines jeden Lebensmittels sein. Daher ist die Messung mit einem pH-Meter sehr wichtig.

Es ist bekannt, dass der Säuregehalt den Geschmack vieler Rohstoffe, wie z.B. bestimmter Früchte, direkt bestimmt. Tatsächlich sind die meisten Lebensmittel, insbesondere Früchte, sauer, d.h. mit pH-Werten unter 7, was die Neutralität kennzeichnet. Nur wenige Lebensmittel sind alkalisch, d.h. mit einem pH-Wert über 7. Somit lassen sich auch Lebensmittel mit einem pH-Meter prüfen.

Aber der pH-Wert beeinflusst nicht nur den Geschmack von vielen Lebensmitteln, die zum Beispiel bei ihrer Herstellung durch Gärungsprozesse (wir würden in diesem Fall von Produkten wie Wein oder Käse sprechen) verfeinert werden. PH-Wert und Temperatur in Kombination haben häufig einen direkten Einfluss auf Qualität und Geschmack eines Lebensmittels, wie z.B. die Konsistenz des Lebensmittels oder die Aromen der einen oder anderen Art. Die Kontrolle des pH-Wertes mittels dem pH-Messgerät, kann eindeutig den Unterschied zwischen einem Produkt, dass für den Kunden klar erkennbar ist und von ihm geschätzt wird und für das er bereit ist, einen hohen Preis zu zahlen, und einem Produkt, das zur direkten Entsorgung bereit ist, ausmachen.

Als ob diese Anwendungsbereiche vom pH-Messgerät nicht schon genug wären, gibt es noch einen letzten Faktor, bei dem der pH-Wert im Agrar- und Lebensmittelsektor eine entscheidende Rolle spielt, und das ist die Lebensmittelkonservierung. So ist z.B. seit langem bekannt, dass die Verwendung von Essig eine der wirksamsten Methoden zur Konservierung bestimmter Lebensmittel ist (Pökelindustrie). Das liegt daran, dass der hohe Säuregehalt die Nahrung konserviert. Wie bereits früher angedeutet wurde, weisen fast alle Mikroorganismen eine wichtige Empfindlichkeit gegenüber dem pH-Wert auf, und dazu gehören insbesondere jene Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, usw.), die für ein Lebensmittel schädlich sein können und es für seine Vermarktung und seinen Verzehr verderben. Ein ausreichend niedriger pH-Wert kann, wenn schon nicht vollständig den Angriff schädlicher Mikroorganismen hemmen, so doch zumindest diesen Angriff minimieren oder verzögern, indem er die Haltbarkeit des Lebensmittels verlängert, die durch die korrekte Verwendung anderer so wichtiger Parameter wie der Temperatur (Sterilisations- oder Gefrierprozesse) noch weiter verlängert werden kann.

Als Konsequenz all dessen, was erwähnt wurde, ist es klar, dass es im Nahrungsmittel- und Landwirtschaftssektor und insbesondere während des Produktionsprozesses von aufwändigeren Nahrungsmitteln unerlässlich ist, den pH-Wert zu kontrollieren, entweder auf spezifische Weise an einigen kritischen Punkten des Prozesses mithilfe von tragbaren pH-Metern oder sogar mit pH-Messgeräten mit Elektroden zur kontinuierlichen Messung, die eine viel intensivere Kontrolle der Produktion ermöglichen, wenn der Prozess dies erfordert.

Die Elektroden des ph-Meter sind im Allgemeinen für die Messung durch direktes Eintauchen in eine wässrige Lösung ausgelegt. Für die Messung in bestimmten festen Lebensmitteln, wie Obst, Käse oder Fleisch, sind jedoch bereits pH-Meter mit speziellen Elektroden (mit Klingen) auf dem Markt erhältlich, mit denen sie direkt in das Lebensmittel selbst eingeführt werden können und dessen pH-Wert messen.

Ein wesentlicher Beitrag zum Leben im Wasser ist, dass es den richtigen pH-Wert hat. Tatsächlich ist Leben für viele Wasserorganismen nur möglich, wenn der pH-Wert im Bereich von 5-9 liegt, für einige Organismen sogar im engeren Bereich von 6-8. Dies gilt sowohl für die Wasserfauna und -flora als auch für Pflanzen. Ein pH-Messgerät wird eingesetzt, um Abwässer ständig zu überprüfen, da bei zu hohem oder zu niedrigem pH-Wert sehr schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben, in die es eingeleitet wird. Darüber hinaus reagieren mehrere Organismen sehr empfindlich auf Änderungen des pH-Wertes. Bevor Abwasser in Flüsse oder Seen gelangt, muss es daher ordnungsgemäß behandelt werden.

Es darf nicht vergessen werden, dass bestimmte Bakterien und andere Organismen bei der Abwasserreinigung eine aktive Rolle spielen. Tatsächlich ist es für Kläranlagen sehr wichtig, den pH-Wert des Abwassers mittels eingebauter pH-Meter ständig zu überwachen. Der Zweck einer Kläranlage ist es, das Abwasser zu reinigen. Dies geschieht durch mechanische, biologische und chemische Behandlungen. Der Prozess der Wasserreinigung erfordert, dass alle drei Arten der Behandlung nacheinander eingesetzt werden. Doch nur ein pH-Wert nahe dem neutralen oder pH7-Wert ermöglicht es den Mikroorganismen, korrekt zu handeln und Stickstoffverbindungen und andere Verunreinigungen während der mikrobiologischen Reinigungsphase effizient zu eliminieren.

Die Messung des pH-Wertes mit dem pH-Messgerät von Abwasser ist auch aus einem anderen Grund wichtig. Ein zu hoher oder zu niedriger pH-Wert kann Rohre und technische Anlagen beschädigen. Die Kontrolle des pH-Wertes mit einem pH-Messgerät schützt auch den Zement und das Metall vor Korrosion. Für den industriellen Sektor ist es unerlässlich, den pH-Wert des Abwassers zu überwachen. Dadurch wird verhindert, dass sie sich im Laufe der Zeit mit teuren Reparaturen herumschlagen müssen.

Es gibt viele Faktoren, die den pH-Wert von Abwasser beeinflussen. Im privaten Sektor muss natürlich die Verwendung von Reinigungsprodukten wie Waschmitteln, Weichspülern und anderen Produkten in Betracht gezogen werden. Viele dieser Reinigungsprodukte sind in der Regel alkalisch, mit einem pH-Wert zwischen 8 und 10, obwohl es auch eher saure Reinigungsprodukte gibt. Je nach Art der Verschmutzung wird die eine oder andere Produktart verwendet.

Auf der anderen Seite gibt es den industriellen Sektor mit seinen industriellen Einleitungen. Viele industrielle Prozesse erfordern den Einsatz von Millionen von Litern Wasser pro Jahr. So fallen z.B. in Bleichereien oder Stoffbleichfabriken hauptsächlich ziemlich säurehaltige Abwässer an. Auch die Metallurgie leitet saures Wasser ein. All dies zeigt, dass Abwasser selten einen neutralen pH-Wert hat. Aus diesem Grund ist es notwendig, das Abwasser zu neutralisieren. Die Verwendung eines pH-Messgerät, sei es eine feste oder tragbare Installation, ermöglicht es, die am besten geeignete Wasseraufbereitung zu bestimmen.

Übliche pH-Elektroden mit Glasmembran sind meist als Einstab-Messsytem mit integrierter Bezugselektrode aufgebaut. Bei einem pH-Messgerät sind Messelektrode und Referenzelektrode in einem Stab aus Glas untergebracht, der in die zu messende Substanz eingetaucht wird. Häufig befindet sich auch ein Temperaturfühler zur automatischen Temperaturkompensation in diesem Stab. Die pH-Meter mit diesen Glaselektroden haben einen weiten Messbereich, sind aber störanfällig. Vor allem die Glasmembran und das Diaphragma der Bezugselektrode müssen sorgsam behandelt und durchlässig gehalten werden. Deshalb werden solche pH-Elektroden häufig gereinigt und in speziellen Aufbewahrungslösungen gelagert. Die pH-Meter mit diesen Elektroden müssen in kurzen Intervallen regelmäßig kalibriert und justiert werden. Wenn keine ausreichende Genauigkeit mehr erreicht wird, muss die Elektrode ausgetauscht werden. Der Begriff wartungsfrei bezieht sich bei einem solchen pH-Meter in vielen Aussagen nur darauf, dass die in der Bezugselektrode verwendete Elektrolytflüssigkeit nicht nachgefüllt oder ausgetauscht werden muss.

Für die kontinuierliche Überwachung des pH-Wertes in Prozessen bietet es sich an, pH-Meter mit speziellen Elektroden zu nutzen, die präzise Messergebnisse erzielen und dazu nicht oder nur selten gewartet und kalibriert werden müssen. Besonders bei langwierigen Prozessen bei denen bereits bei geringen Abweichungen des pH-Wertes reagiert werden muss und bei solchen, bei denen während des Zeitablaufs verschiedene pH-Werte erreicht und gehalten werden müssen, ist es ein erheblicher Vorteil, wenn die pH-Elektrode während des Prozessablaufs nicht zum Reinigen oder Kalibrieren entnommen werden muss. Viele der wartungsarmen pH-Elektroden können in automatischen Prozeduren, die auf den jeweiligen Prozessablauf abgestimmt sind, gereinigt einige auch automatisch kalibriert und justiert werden.

Für Dauermessungen in Industrieumgebungen bei denen direkt in der Prozessflüssigkeit gemessen wird, werden oft pH-Meter mit Sonden eingesetzt, die nicht nur weniger wartungsintensiv, sondern auch mechanisch und chemisch widerstandsfähiger sind als die üblichen Glas-Elektroden. Dazu gehören beispielsweise pH-Elektroden bei denen an Stelle der Glasmembran Emaille als pH-sensitive Schicht funktioniert und pH-Sonden, die über die ISFET Technologie messen. ISFET steht für ionenselektiver Feldeffekttransistor. Bei den ISFET Sensoren wird der pH-Wert also über die bei der Anlagerung von Ionen auftretenden Feldeffekte ermittelt.