Funktionsprinzipbearbeiten
Potentiometrische pH-Messgeräte messen die Spannung zwischen zwei Elektroden und zeigen das Ergebnis in den entsprechenden pH-Wert umgerechnet an. Sie bestehen aus einem einfachen elektronischen Verstärker und einem Elektrodenpaar oder alternativ einer Kombinationselektrode und einer in pH-Einheiten kalibrierten Anzeige. Es hat normalerweise eine Glaselektrode und eine Referenzelektrode oder eine Kombinationselektrode. Die Elektroden oder Sonden werden in die zu prüfende Lösung eingeführt.
Das Design der Elektroden ist der Schlüsselteil: Dies sind stabförmige Strukturen, die normalerweise aus Glas bestehen und an deren Unterseite sich ein Kolben befindet, der den Sensor enthält. Die Glaselektrode zur Messung des pH-Wertes hat einen speziell für die Wasserstoffionenkonzentration selektiven Glaskolben. Beim Eintauchen in die zu testende Lösung tauschen sich Wasserstoffionen in der Testlösung gegen andere positiv geladene Ionen auf dem Glaskolben aus, wodurch ein elektrochemisches Potential über dem Kolben entsteht. Der elektronische Verstärker erkennt die bei der Messung erzeugte elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden und wandelt die Potentialdifferenz in pH-Einheiten um. Die Größe des elektrochemischen Potentials über dem Glaskolben hängt linear mit dem pH-Wert gemäß der Nernst-Gleichung zusammen.
Die Referenzelektrode ist unempfindlich gegen den pH-Wert der Lösung und besteht aus einem metallischen Leiter, der mit dem Display verbunden ist. Dieser Leiter wird in eine Elektrolytlösung, typischerweise Kaliumchlorid, eingetaucht, die durch eine poröse Keramikmembran mit der Testlösung in Kontakt kommt. Das Display besteht aus einem Voltmeter, das die Spannung in pH-Einheiten anzeigt.
Beim Eintauchen der Glaselektrode und der Referenzelektrode in die Testlösung wird ein Stromkreis abgeschlossen, in dem eine Potentialdifferenz erzeugt und vom Voltmeter erfasst wird. Die Schaltung kann so gedacht werden, dass sie vom leitenden Element der Referenzelektrode zur umgebenden Kaliumchloridlösung, durch die Keramikmembran zur Testlösung, zum wasserstoffionenselektiven Glas der Glaselektrode, zur Lösung innerhalb der Glaselektrode, zum Silber der Glaselektrode und schließlich zum Voltmeter der Anzeigevorrichtung führt. Die Spannung variiert von Testlösung zu Testlösung in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz, die durch die Differenz der Wasserstoffionenkonzentrationen auf jeder Seite der Glasmembran zwischen der Testlösung und der Lösung innerhalb der Glaselektrode erzeugt wird. Alle anderen Potentialdifferenzen in der Schaltung ändern sich nicht mit dem pH-Wert und werden durch die Kalibrierung korrigiert.Der Einfachheit halber verwenden viele pH-Meter eine Kombinationssonde, die aus der Glaselektrode und der Referenzelektrode besteht, die in einer einzigen Sonde enthalten sind. Eine detaillierte Beschreibung der Kombinationselektroden finden Sie im Artikel über Glaselektroden.
Das pH-Messgerät wird mit Lösungen mit bekanntem pH-Wert kalibriert, typischerweise vor jedem Gebrauch, um die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten. Zur Messung des pH-Wertes einer Lösung werden die Elektroden als Sonden verwendet, die in die Testlösungen getaucht und dort so lange gehalten werden, dass die Wasserstoffionen in der Testlösung mit den Ionen auf der Oberfläche des Kolbens auf der Glaselektrode ins Gleichgewicht kommen. Diese Äquilibrierung sorgt für eine stabile pH-Messung.
pH-Elektrode und Referenzelektrodendesign
Details der Herstellung und der resultierenden Mikrostruktur der Glasmembran der pH-Elektrode werden von den Herstellern als Geschäftsgeheimnis aufbewahrt.:125 Bestimmte Aspekte des Designs werden jedoch veröffentlicht. Glas ist ein fester Elektrolyt, für den Alkalimetallionen Strom führen können. Die pH-empfindliche Glasmembran ist im Allgemeinen kugelförmig, um die Herstellung einer einheitlichen Membran zu vereinfachen. Diese Membranen sind bis zu 0,4 Millimeter dick und damit dicker als die ursprünglichen Designs, um die Sonden langlebig zu machen. Das Glas weist auf seiner Oberfläche eine chemische Silikatfunktionalität auf, die Bindungsstellen für Alkalimetallionen und Wasserstoffionen aus den Lösungen bereitstellt. Dadurch ergibt sich eine Ionenaustauschkapazität im Bereich von 10-6 bis 10-8 mol/cm2. Die Selektivität für Wasserstoffionen (H +) ergibt sich aus einem Gleichgewicht der Ionenladung, des Volumenbedarfs gegenüber anderen Ionen und der Koordinationszahl anderer Ionen. Elektrodenhersteller haben Zusammensetzungen entwickelt, die diese Faktoren in geeigneter Weise ausgleichen, insbesondere Lithiumglas.:113-139
Die Silberchloridelektrode wird am häufigsten als Referenzelektrode in pH-Messgeräten verwendet, obwohl einige Konstruktionen die gesättigte Kalomelelektrode verwenden. Die Silberchloridelektrode ist einfach herzustellen und bietet eine hohe Reproduzierbarkeit. Die Referenzelektrode besteht üblicherweise aus einem Platindraht, der Kontakt mit einem Silber / Silberchlorid-Gemisch hat, das in eine Kaliumchloridlösung eingetaucht ist. Es gibt einen Keramikstecker, der als Kontakt zur Testlösung dient, einen geringen Widerstand bietet und gleichzeitig ein Mischen der beiden Lösungen verhindert.:76-91
Bei diesen Elektrodenkonstruktionen erkennt das Voltmeter Potentialdifferenzen von ±1400 Millivolt. Die Elektroden sind ferner so ausgelegt, dass sie schnell mit Testlösungen ins Gleichgewicht kommen, um die Benutzerfreundlichkeit zu erleichtern. Die Äquilibrierungszeiten betragen typischerweise weniger als eine Sekunde, obwohl die Äquilibrierungszeiten mit zunehmendem Alter der Elektroden zunehmen.:164
MaintenanceEdit
Aufgrund der Empfindlichkeit der Elektroden gegenüber Verunreinigungen ist die Sauberkeit der Sonden für Genauigkeit und Präzision unerlässlich. Sonden werden im Allgemeinen feucht gehalten, wenn sie nicht mit einem für die jeweilige Sonde geeigneten Medium verwendet werden, bei dem es sich typischerweise um eine wässrige Lösung handelt, die von Sondenherstellern erhältlich ist. Sondenhersteller geben Anweisungen zur Reinigung und Wartung ihrer Sondenkonstruktionen. Zur Veranschaulichung gibt ein Hersteller von pH-Werten in Laborqualität Reinigungsanweisungen für bestimmte Verunreinigungen: allgemeine Reinigung (15 Minuten Einweichen in einer Lösung aus Bleichmittel und Reinigungsmittel), Salz (Salzsäurelösung, gefolgt von Natriumhydroxid und Wasser), Fett (Reinigungsmittel oder Methanol), verstopfte Referenzstelle (KCl-Lösung), Proteinablagerungen (Pepsin und HCl, 1% ige Lösung) und Luftblasen.
Kalibrierung und Betriebbearbeiten
Das Deutsche Institut für Normung veröffentlicht eine Norm zur pH-Messung mit pH-Messgeräten, DIN 19263.
Sehr genaue Messungen erfordern, dass das pH-Meter vor jeder Messung kalibriert wird. Typischerweise wird die Kalibrierung einmal pro Betriebstag durchgeführt. Eine Kalibrierung ist erforderlich, da die Glaselektrode über längere Zeiträume keine reproduzierbaren elektrostatischen Potentiale liefert.:238-239
In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der guten Laborpraxis wird die Kalibrierung mit mindestens zwei Standardpufferlösungen durchgeführt, die den Bereich der zu messenden pH-Werte überspannen. Für allgemeine Zwecke sind Puffer bei pH 4,00 und pH 10,00 geeignet. Das pH-Meter hat eine Kalibrierungssteuerung, um den Zählerstand gleich dem Wert des ersten Standardpuffers einzustellen, und eine zweite Steuerung, um den Zählerstand auf den Wert des zweiten Puffers einzustellen. Mit einem dritten Regler kann die Temperatur eingestellt werden. Standard-Pufferbeutel, die von verschiedenen Anbietern erhältlich sind, dokumentieren in der Regel die Temperaturabhängigkeit der Pufferregelung. Genauere Messungen erfordern manchmal eine Kalibrierung bei drei verschiedenen pH-Werten. Einige pH-Meter bieten eine integrierte Temperaturkoeffizientenkorrektur mit Temperaturthermoelementen in den Elektrodensonden. Der Kalibrierungsprozess korreliert die von der Sonde erzeugte Spannung (ungefähr 0,06 Volt pro pH-Einheit) mit der pH-Skala. Die gute Laborpraxis schreibt vor, dass die Sonden nach jeder Messung mit destilliertem Wasser oder entionisiertem Wasser gespült werden, um Spuren der zu messenden Lösung zu entfernen, mit einem wissenschaftlichen Tuch abgetupft werden, um restliches Wasser aufzunehmen, das die Probe verdünnen und somit verändern könnte der Messwert und dann in eine für den jeweiligen Sondentyp geeignete Aufbewahrungslösung getaucht.