Was ist die Definition von pH?

Die pH-Messung wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: Landwirtschaft, Abwasserbehandlung, industrielle Prozesse, Umweltüberwachung sowie in Forschung und Entwicklung. Der pH-Wert ist ein Maß für den Säuregehalt oder die Alkalität einer Lösung. Der pH-Wert gibt die relative Menge der in einer Lösung enthaltenen Wasserstoffionen (H+) an. Je höher die H+-Konzentration ist, desto saurer ist die Lösung und desto niedriger ist der pH-Wert. In dieser Beziehung wird der pH-Wert als negativer Logarithmus der Wasserstoffaktivität definiert. Ein Standard-pH-Messsystem besteht aus drei Elementen: 1) BOQU-pH-Elektrode; 2) BOQU-Temperaturkompensationselement und 3) BOQU-pH-Meter oder -Regler.

Was ist die Definition von pH?

Der pH-Wert einer Lösung ist der negative Logarithmus ihrer Wasserstoffionenaktivität (α), der das Produkt der Wasserstoffionenkonzentration [H+] und dem Aktivitätskoeffizienten von Wasserstoff (gH+) bei dieser Konzentration ist.

pH = –log α = –log γH+[H+]

In reinem Wasser und in verdünnten Lösungen kann die H+-Aktivität mit der H+-Konzentration gleichgesetzt werden.

pH = –log γH+[H+] = –log [H+]

Der pH-Wert einer Lösung misst den Grad der Säure oder Alkalität im Verhältnis zur Ionisierung von Wasser. Reines Wasser dissoziiert bei 25 °C zu 10-7 M [H+] und [OH–]; Somit liegt der pH-Wert des Wassers bei 7, dem Neutralitätspunkt.

pHWasser = –log [H+] = –log 10-7 = 7

Die meisten pH-Werte liegen zwischen 0 und 14. Lösungen mit einem höheren [H+] als Wasser (pH-Wert unter 7) sind sauer; Lösungen mit einem niedrigeren [H+] als Wasser (pH-Wert über 7) sind basisch oder alkalisch.

Definition von pH

Bei der Messung des pH-Werts wird das Potenzial von Lösungen mit unbekanntem [H+] mit einem bekannten Referenzpotenzial verglichen. pH-Messgeräte wandeln das Spannungsverhältnis zwischen einer Referenzhalbzelle und einer Sensorhalbzelle in pH-Werte um. Heutzutage sind die meisten Elektroden Kombinationselektroden, bei denen sich sowohl die Referenz- als auch die Sensorhalbzelle im selben Körper befinden.

Referenzhalbzellen enthalten einen Leiter (normalerweise Silber mit einer Silberchloridbeschichtung), der in eine Lösung mit bekanntem [H+] getaucht ist. Das Potential zwischen diesem Innenleiter und der bekannten Lösung ist konstant und sorgt so für ein stabiles Referenzpotential 

Sensorhalbzellen (Messhalbzellen) bestehen aus einem nichtleitenden Glasrohr (oder Epoxidharzrohr), das mit einer leitfähigen Glasmembran versiegelt ist. Wie die Referenzhalbzelle enthält auch die Sensorhalbzelle einen Leiter, der in eine gepufferte Elektrolytlösung getaucht ist und konstante Spannungen an der Innenfläche der Glasmembran und dem Sensorleiter gewährleistet.

Wenn das pH-Elektrode In die zu messende Lösung eingetaucht, baut sich auf der Oberfläche der Sensorglasmembran ein Potential auf. Wenn die unbekannte Lösung  neutral ist, gleicht die Summe der festen Spannungen an der Innenfläche der Glasmembran und am Messleiter ungefähr die Spannung an der Außenfläche der Glasmembran und der Referenzhalbzelle aus. Daraus ergibt sich eine Gesamtpotentialdifferenz von 0 mV und ein pH-Wert von 7.

In sauren oder alkalischen Lösungen ändert sich die Spannung an der äußeren Membranoberfläche proportional zu Änderungen von [H+]. Das pH-Meter erkennt die Potenzialänderung und bestimmt [H+] der Unbekannten anhand der Nernst-Gleichung:

Wo:

E = Gesamtpotentialdifferenz (gemessen in mV)

T = Temperatur in Kelvin

n = Anzahl der Elektronen

E° = Bezugspotential

F = Faradaysche Konstante

R = Gaskonstante

[H+] = Wasserstoffionenkonzentration

pH-Temperaturkompensation

Der pH-Wert einer Lösung ist eine Funktion ihrer Temperatur  Die von der Elektrode ausgegebene Spannung ändert sich linear im Verhältnis zu Änderungen des pH-Werts, und die Temperatur der Lösung bestimmt die Steigung des Diagramms. Eine pH-Einheit entspricht 59,16 mV bei 25 °C, der Standardspannung und -temperatur, auf die sich alle Kalibrierungen beziehen. Die Elektrodenspannung sinkt auf 54,20 mV/pH-Einheit bei 0,0 °C und steigt auf 74,04 mV/pH-Einheit bei 100,0 °C

Da pH-Werte temperaturabhängig sind, erfordern pH-Anwendungen eine Form der Temperaturkompensation, um die Standardisierung der pH-Werte sicherzustellen  Messgeräte und Regler mit automatischer Temperaturkompensation (ATC) empfangen ein kontinuierliches Signal von einem Temperaturelement und korrigieren den pH-Wert automatisch basierend auf der Temperatur der Lösung  Bei der manuellen Temperaturkompensation muss der Benutzer die Temperatur eingeben. ATC gilt für die meisten pH-Anwendungen als praktischer.