Wie funktioniert ein pH-Meter?
Wenn du Lackmuspapier verwendest, spielt das alles keine Rolle. Der Grundgedanke ist, dass das Papier in Lösungen zwischen pH 1 und 14 eine etwas andere Farbe annimmt, und durch den Vergleich des Papiers mit einer Farbkarte kann man einfach den Säuregrad oder die Alkalität ablesen, ohne sich Gedanken darüber zu machen, wie viele Wasserstoffionen vorhanden sind. Aber ein pH-Meter muss irgendwie die Konzentration der Wasserstoffionen messen. Wie macht es das?
Eine saure Lösung enthält viel mehr positiv geladene Wasserstoffionen als eine alkalische, so dass sie in einer bestimmten Situation ein größeres Potenzial hat, einen elektrischen Strom zu erzeugen – mit anderen Worten, sie ist ein bisschen wie eine Batterie, die eine größere Spannung erzeugen kann. Ein pH-Meter macht sich dies zunutze und funktioniert wie ein Voltmeter: Es misst die Spannung (das elektrische Potenzial), die von der Lösung, deren Säuregehalt uns interessiert, erzeugt wird, vergleicht sie mit der Spannung einer bekannten Lösung und leitet aus dem Spannungsunterschied (der „Potenzialdifferenz“) zwischen ihnen den Unterschied im pH-Wert ab.
Woraus besteht es?
Ein typisches pH-Messgerät besteht aus zwei grundlegenden Komponenten: dem Messgerät selbst, das ein Drehspulinstrument (mit einem Zeiger, der sich gegen eine Skala bewegt) oder ein digitales Messgerät (mit einer numerischen Anzeige) sein kann, und entweder einer oder zwei Sonden, die man in die zu prüfende Lösung einführt. Damit Strom durch etwas fließt, müssen Sie einen kompletten Stromkreislauf aufbauen; damit also Strom durch die Testlösung fließt, müssen Sie zwei Elektroden (elektrische Anschlüsse) in sie einführen.Wenn dein pH-Meter zwei Sonden hat (wie die auf dem Foto oben in diesem Artikel), ist jede eine eigene Elektrode; wenn du nur eine Sonde hast, sind beide Elektroden der Einfachheit halber in sie eingebaut.
Die Elektroden sind nicht wie normale Elektroden (einfache Metalldrahtstücke); jede ist ein eigener kleiner chemischer Satz. Die Elektrode, die die wichtigste Aufgabe erfüllt und als Glaselektrode bezeichnet wird, besteht aus einem elektrischen Draht auf Silberbasis, der in einer Kaliumchloridlösung aufgehängt ist und sich in einem dünnen Kolben (oder einer Membran) aus einem speziellen Glas befindet, das Metallsalze (in der Regel Natrium- und Kalziumverbindungen) enthält. Die andere Elektrode wird als Referenzelektrode bezeichnet und besteht aus einem Kaliumchloriddraht, der in einer Kaliumchloridlösung suspendiert ist.
Artwork: Die wichtigsten Teile eines pH-Meters: (1) Zu prüfende Lösung; (2) Glaselektrode, bestehend aus (3) einer dünnen, Metallsalze enthaltenden Quarzglasschicht, in der sich eine Kaliumchloridlösung (4) und eine Innenelektrode (5) aus Silber/Silberchlorid befindet. (6) Die in der Prüflösung gebildeten Wasserstoffionen treten mit der äußeren Oberfläche des Glases in Wechselwirkung. (7) Die in der Kaliumchloridlösung gebildeten Wasserstoffionen interagieren mit der Innenfläche des Glases. (8) Das Messgerät misst die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Seiten des Glases und wandelt diese „Potenzialdifferenz“ in einen pH-Wert um. (9) Die Referenzelektrode dient als Basislinie oder Referenz für die Messung – oder man kann sie einfach als Vervollständigung des Stromkreises betrachten.
Wie funktioniert es?
Das Kaliumchlorid im Inneren der Glaselektrode (hier orange gefärbt) ist eine neutrale Lösung mit einem pH-Wert von 7 und enthält daher eine bestimmte Menge an Wasserstoffionen (H+). Die Glaselektrode misst den Unterschied im pH-Wert zwischen der orangefarbenen und der blauen Lösung, indem sie den Unterschied in den Spannungen misst, die die Wasserstoffionen erzeugen. Da wir den pH-Wert der orangefarbenen Lösung (7) kennen, können wir den pH-Wert der blauen Lösung herausfinden.
Animation: Ionenaustausch in Aktion.
Wie funktioniert das Ganze? Wenn man die beiden Elektroden in die blaue Testlösung taucht, bewegen sich einige der Wasserstoffionen in Richtung der äußeren Oberfläche der Glaselektrode und ersetzen einige der Metallionen in ihrem Inneren, während sich einige der Metallionen von der Glaselektrode in die blaue Lösung bewegen. Dieser Ionenaustauschprozess wird als Ionenaustausch bezeichnet und ist der Schlüssel zur Funktionsweise einer Glaselektrode. Die beiden Lösungen auf beiden Seiten des Glases haben einen unterschiedlichen Säuregehalt, so dass auf den beiden Seiten des Glases eine unterschiedliche Menge an Ionenaustausch stattfindet, was zu einem unterschiedlichen Grad an Wasserstoffionenaktivität auf den beiden Oberflächen des Glases führt, was bedeutet, dass sich auf ihnen eine unterschiedliche Menge an elektrischer Ladung aufbaut.Dieser Ladungsunterschied bedeutet, dass zwischen den beiden Seiten des Glases eine winzige Spannung (manchmal als Potenzialdifferenz bezeichnet, typischerweise einige zehn oder hundert Millivolt) auftritt, die einen Spannungsunterschied zwischen der Silberelektrode (5) und der Referenzelektrode (8) erzeugt, der als Messwert auf dem Messgerät angezeigt wird.
Obwohl das Messgerät die Spannung misst, zeigt der Zeiger auf der Skala (oder der Digitalanzeige) einen pH-Wert an.Je größer der Spannungsunterschied zwischen der orangefarbenen (innen) und der blauen (außen) Lösung, desto größer ist der Unterschied in der Wasserstoffionenaktivität.Wenn die blaue Lösung mehr Wasserstoffionen enthält, ist sie saurer als die orangefarbene Lösung, und das Messgerät zeigt einen niedrigeren pH-Wert an; wenn die blaue Lösung weniger Wasserstoffionen enthält, zeigt das Messgerät einen höheren pH-Wert (alkalischer) an.
Genaue pH-Messungen
Damit pH-Messgeräte genau sind, müssen sie richtig geeicht sein (das Messgerät setzt Spannungsmessungen genau in pH-Messungen um), daher müssen sie in der Regel geprüft und eingestellt werden, bevor man sie benutzt. Sie kalibrieren ein pH-Messgerät, indem Sie es in Pufferlösungen (Testlösungen mit bekanntem pH-Wert) eintauchen und das Messgerät entsprechend einstellen.Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die auf diese Weise durchgeführten pH-Messungen temperaturabhängig sind. Einige Messgeräte verfügen über eingebaute Thermometer und korrigieren automatisch ihre eigenen pH-Messungen, wenn sich die Temperatur ändert; diese eignen sich am besten, wenn Temperaturschwankungen zu erwarten sind, während Sie eine Reihe verschiedener Messungen durchführen. Alternativ können Sie die pH-Messung selbst korrigieren oder dies berücksichtigen, indem Sie Ihr Messgerät kalibrieren und pH-Messungen bei annähernd derselben Temperatur vornehmen.