pH-Meter-Prinzip

- May 28, 2019-

Geschichte
Die Geschichte der elektrischen Messung des Säuregehalts von Flüssigkeiten begann 1906, als Max Cremer bei seinen Untersuchungen der Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten [1] (Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen) entdeckte, dass die Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten untersucht werden konnte, indem eine dünne Glasblase geblasen und eine platziert wurde Flüssigkeit drinnen und eine andere draußen. Es wurde ein elektrisches Potential erzeugt, das gemessen werden konnte.

Diese Idee wurde von Fritz Haber (der die Synthese von Ammoniak und Kunstdünger erfand) und Zygmunt Klemsiewicz [2] weitergeführt, die entdeckten, dass der Glaskolben (den er Glaselektrode nannte ) zur Messung der Wasserstoffionenaktivität verwendet werden konnte und dass dies folgte eine logarithmische Funktion.

Der dänische Biochemiker Soren Sorensen erfand 1909 die pH-Skala.

Da der Widerstand in der Glaswand sehr hoch ist, typischerweise zwischen 10 und 100 Mega-Ohm, konnte die Glaselektrodenspannung nicht genau gemessen werden, bis Elektronenröhren erfunden wurden. Noch später ermöglichte die Erfindung von Feldeffekttransistoren (FETs) und integrierten Schaltkreisen (ICs) mit Temperaturkompensation die genaue Messung der Glaselektrodenspannung. Die von einer pH-Einheit erzeugte Spannung (etwa von pH = 7,00 bis 8,00) beträgt typischerweise etwa 60 mV (Millivolt). Gegenwärtige pH-Meter enthalten Mikroprozessoren, die die notwendigen Korrekturen für Temperatur und Kalibrierung vornehmen. Trotzdem leiden moderne pH-Meter immer noch unter Drift (langsame Änderungen), weshalb sie häufig kalibriert werden müssen.

Es wurden auch Verbesserungen in der Chemie des Glases vorgenommen, so dass die Verschmutzung durch Salz- und Halogenionen gestoppt werden konnte. Die Referenzelektrode, die traditionell Silberchlorid (AgCl) verwendete, wurde durch die Kalomel- Elektrode (Quecksilberchlorid, HgCl2) ersetzt, die Quecksilberchlorid (HgCl) in einer Kaliumchloridlösung (KCl) als Gel (wie Gelatine) verwendet. Elektroden haben jedoch kein ewiges Leben und müssen ersetzt werden, wenn sie unannehmbar driften oder ungewöhnlich lange brauchen, um sich abzusetzen.

[1] Cremer M (1906): Z. Biol, 47, 562
[2] Haber F und Z Klemensiewicz (1909): Z. Physik. Chem., 67, 385


Wie ein pH-Meter funktioniert
Wenn ein Metall mit einem anderen in Kontakt gebracht wird, tritt aufgrund ihrer unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeit eine Spannungsdifferenz auf. Wenn ein Metall mit einer Lösung von Salzen oder Säuren in Kontakt gebracht wird, wird ein ähnliches elektrisches Potential verursacht, das zur Erfindung von Batterien geführt hat. In ähnlicher Weise entsteht ein elektrisches Potential, wenn eine Flüssigkeit mit einer anderen in Kontakt gebracht wird, aber eine Membran wird benötigt, um solche Flüssigkeiten auseinander zu halten.

Ein pH-Meter misst im Wesentlichen das elektrochemische Potential zwischen einer bekannten Flüssigkeit innerhalb der Glaselektrode (Membran) und einer unbekannten Flüssigkeit außerhalb. Da der dünne Glaskolben hauptsächlich die Wechselwirkung der agilen und kleinen Wasserstoffionen mit dem Glas ermöglicht, misst die Glaselektrode das elektrochemische Potential von Wasserstoffionen oder das Potential von Wasserstoff . Zur Vervollständigung des Stromkreises wird auch eine Referenzelektrode benötigt. Beachten Sie, dass das Instrument keinen Strom misst, sondern nur eine elektrische Spannung. Es ist jedoch ein kleiner Ionenverlust aus der Referenzelektrode erforderlich, der eine leitende Brücke zur Glaselektrode bildet. Ein pH-Meter darf daher nicht zum Bewegen von Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit verwendet werden (daher ist das Messen in kleinen Behältern vorzuziehen).
 

schematische pH-Elektroden Das pH-Messgerät misst das elektrische Potential (folgen Sie der Zeichnung im Uhrzeigersinn vom Messgerät aus) zwischen dem Quecksilberchlorid der Referenzelektrode und seiner Kaliumchloridflüssigkeit, der unbekannten Flüssigkeit, der Lösung in der Glaselektrode und dem Potential zwischen dieser Lösung und die Silberelektrode. Aber nur das Potential zwischen der unbekannten Flüssigkeit und der Lösung in der Glaselektrode ändert sich von Probe zu Probe. So können alle anderen Potentiale aus der Gleichung heraus kalibriert werden.

Die Kalomelreferenzelektrode besteht aus einem Glasrohr mit einem Kaliumchlorid (KCl) -Elektrolyten, der am Ende eines KCL-Elements in engem Kontakt mit einem Quecksilberchloridelement steht. Es ist eine zerbrechliche Konstruktion, die durch eine Flüssigkeitsübergangsspitze aus poröser Keramik oder einem ähnlichen Material verbunden ist. Diese Art von Elektrode wird nicht leicht durch Schwermetalle und Natrium "vergiftet".
Die Glaselektrode besteht aus einem stabilen Glasrohr, an das ein dünner Glaskolben angeschweißt ist. Im Inneren befindet sich eine bekannte Lösung von Kaliumchlorid (KCl), die bei einem pH-Wert von 7,0 gepuffert ist. Eine Silberelektrode mit einer Silberchloridspitze berührt die innere Lösung. Um elektronische Interferenzen zu minimieren, ist die Sonde durch eine Folienabschirmung abgeschirmt, die sich häufig in der Glaselektrode befindet.
Die meisten modernen pH-Messgeräte verfügen auch über einen Thermistortemperaturfühler, der eine automatische Temperaturkorrektur ermöglicht, da der pH-Wert mit der Temperatur etwas variiert.
 

Wasser ist die wichtigste und wundersamste Substanz auf der Erde. Seine Moleküle HOH bilden eine Bumerangform, wobei das O-Ende leicht negativ und das H2 + -Ende leicht positiv geladen ist. Diese geladenen Bumerangs werden voneinander angezogen und bilden Kohäsionsinseln, so dass Wasser bei Temperaturen, bei denen das Leben gedeiht, eine Flüssigkeit bildet, während es eigentlich ein sehr flüchtiges Gas wie Schwefelwasserstoff (H2S) sein sollte, das fast das doppelte Molekulargewicht hat. An der Erdoberfläche kommt Wasser in fester Form (Eis), flüssiger (Wasser) und gasförmiger Form (Dampf oder Wasserdampf) vor. In kalten Gebieten existieren alle drei Phasen nebeneinander.
Wasser ist auch insofern einzigartig, als es sowohl eine Säure (mit H + -Ionen) als auch eine Lauge (mit OH- -Ionen) ist. Es ist somit gleichzeitig sauer und basisch (alkalisch), was dazu führt, dass es streng neutral ist, da die Anzahl der H + -Ionen der der OH- -Ionen entspricht. Aufgrund seiner starken Kohäsion dissoziieren (spalten) nur wenige Wassermoleküle in ihren Ionenbestandteilen: Wasserstoffionen (H +) und Hydroxylionen (OH-). Chemiker würden darauf bestehen, dass H + -Ionen wirklich H3O + -Ionen oder Hydroniumionen sind.

In dem Wissen, dass ein Mol Wasser 18 Gramm (1 + 1 + 16) wiegt, was 18 ml entspricht, und dass diese Menge eine sehr große Anzahl von Molekülen enthält [1], werden nur 0,1 Millionstel (10 -7 ) Mol in einem Liter dissoziiert Wasser (pH = 7). [2]

Die Potentialdifferenz zwischen der Innenseite der Glaselektrode und der Außenseite wird durch die Siliziumoxide in der Seite des Glases verursacht:
Si.O - + H3.O + = Si.OH + + H2.O.

Sobald das Ionengleichgewicht hergestellt ist, ist die Potentialdifferenz zwischen der Glaswand und der Lösung durch die folgende Gleichung gegeben:
E = R x T / ( F x ln ( a ))
Wobei E = Elektronenpotential (Volt), R = molare Gaskonstante 8,314 J / mol / ºK, F = Faradaysche Konstante 96485,3 ºC, T = Temperatur in ºKelvin und a = Aktivität der Wasserstoffionen (Hydroniumionen).
ln ( a ) = der natürliche Logarithmus, der in den dezimalen Logarithmus konvertiert wird = 2,303 x log ( a )
Die Kombination R x T / ( 2,303 x F ) beträgt ungefähr 0,060 V (60 mV) pro zehnfachem Anstieg der Wasserstoffionen oder einer pH-Einheit.
Der pH-Bereich von 0 bis 14 erklärt Hydroniumaktivitäten von 10 bis 1E-14 mol / Liter. Ein Mol Wasser wiegt 18 Gramm. Ein pH = 7 entspricht einer Hydroniumaktivität von 1E-7 mol / Liter (1E-7). Da log (10 -7 ) = -7 ist, lässt die pH-Skala das Minuszeichen aus.

Obwohl moderne pH-Glaselektroden wesentliche Verbesserungen erfahren haben, mögen sie einige Substanzen mit niedrigem H + -Ionengehalt nicht, wie Alkalihydroxide (NaOH und KOH), reines destilliertes Wasser, Ätzsubstanzen wie Fluorid, adsorbierende Substanzen wie Schwermetalle und Proteine.

Die meisten modernen pH-Messgeräte verfügen über eingebaute Temperatursensoren, um die Temperaturabweichung automatisch zu korrigieren und Werte zu erhalten, als ob diese bei einer Standardtemperatur von 25 ° C gemessen würden. Die Anzeige wird nicht durch die Temperatur bei pH = 7,00 beeinflusst, sondern außerhalb von 0,003 pro ºC. Daher muss ein pH-Wert bei 5 ° C (20 ° von 25 ° C entfernt), der 4,00 anzeigt, um 0,003 x 20 x 3,00 = 0,18 nach unten korrigiert werden. Ebenso muss ein pH-Wert von 10,00 um diesen Betrag nach oben korrigiert werden.

Die Pflege eines pH-Messgeräts hängt von den verwendeten Elektrodentypen ab. Lesen Sie die Empfehlungen des Herstellers. Bei häufigem Gebrauch ist es besser, die Elektrode feucht zu halten, da das Befeuchten einer trockenen Elektrode lange dauert, begleitet von einer Signaldrift. Moderne pH-Messgeräte haben jedoch nichts dagegen, dass ihre Elektroden austrocknen, vorausgesetzt, sie wurden gründlich in Leitungswasser oder Kaliumchlorid gespült. Während der Expedition zur Messung von Meerwasser kann das pH-Messgerät mit Meerwasser feucht gelassen werden. Für längere Zeiträume wird jedoch empfohlen, es mit einer Kaliumchloridlösung bei pH = 4 oder im sauren Kalibrierungspuffer pH = 4,01 zu befeuchten. pH-Meter lassen sich nicht gern in destilliertem Wasser belassen.
Beachten Sie, dass eine pH-Sonde, die in einer sauren Lösung feucht gehalten wird, die Ergebnisse beeinflussen kann, wenn sie vor dem Einsetzen in das Testfläschchen nicht gespült wird. Denken Sie daran, dass eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 4 10.000 Wasserstoffionen mehr enthält als eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 8. Ein einzelner Tropfen pH = 4 in einer Durchstechflasche mit 400 Tropfen pH = 8 stört also die Messungen wirklich! Denken Sie auch daran, dass die Kalibrierungslösungen aus chemischen Puffern bestehen, die versuchen, den pH-Wert konstant zu halten. Daher ist die Kontamination Ihres Testfläschchens mit einem Puffer sehr schwerwiegend.

[1] Die Konstante von Avogadro beträgt 602.213.670.000.000.000.000.000 (602.214 Milliarden Billionen) oder 6.02E23, benannt zu Ehren von Amedeo Avogadro. Ein Mol einer chemischen Substanz enthält diese Anzahl von Molekülen. Amedeo Avogadro (1776–1856) war ein italienischer Physiker. Er schlug 1811 seine berühmte Hypothese vor, die heute als Avogadro-Gesetz bekannt ist. Das Gesetz besagt, dass gleiche Volumina aller Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Avogadro unterschied auch zwischen einem Atom und einem Molekül und ermöglichte die Bestimmung einer korrekten Tabelle der Atomgewichte.
[2] Auf der Seafriends-Website verwenden wir häufig die Exponentialschreibweise E, sodass 2,34E-4 2,34 x 10 -4 bedeutet .


Die pH-Skala
Die pH-Werte sind im Vergleich zu bekannten Substanzen sinnvoller. Beachten Sie, dass die pH-Skala logarithmisch ist und dass jeder nächste Wert zehnmal weniger Wasserstoffionen enthält. Ein pH = 0 enthält am meisten und ist stark sauer.
0 5% Schwefelsäure, H2SO4, Batteriesäure.
1 0,1 N HCl, Salzsäure (1,1)
2 Zitronensaft. Essig (2,4-3,4)
3 Wein (3,5-3,7)
4 Orangensaft. Apfelsaft (3,8). Bier. Tomaten.
5 Hüttenkäse. Schwarzer Kaffee. Regenwasser 5.6.
6 Milch. Fisch (6,7-7). Huhn (6,4-6,6).
7 Neutral: gleiche Anzahl von Wasserstoff- und Hydroxylionen. Blut (7,3-7,4). Destilliertes Wasser ohne CO2 nach dem Kochen.
8 Meerwasser (8.1). Eiweiß.
9 Borax. Backsoda.
10 Magnesia-Milch, Magnesiumhydroxid Mg (OH) 2.
11 Haushalts-Ammoniak
12 Fotoentwickler, Haushaltsbleiche
13 Ofenreiniger
14 Natriumlauge NaOH, 1 Mol / Liter.