PH-Messgerät

Ein pH-Meter

Ein pH-Meter ist ein Messgerät zur Anzeige des pH-Wertes einer Lösung. Dabei wird der Wert auf elektrochemischem Wege bestimmt und nicht über Säure-Base-Indikatoren.

Das am häufigsten verwendete Messprinzip benutzt das Potential einer Glaselektrode, welche auch als pH-Elektrode bezeichnet wird. Eine Halbzellenreaktion an der Glasmembran bildet dort ein elektrisches Potenzial aus, welches in direkter Abhängigkeit zur H⁺-Ionen-Konzentration steht. Aus der Potenzialdifferenz zur Bezugselektrode entsteht eine Spannung, die weitgehend linear den pH-Wert abbildet. Als Bezugselektrode dient in den meisten Fällen eine Silber-Silberchlorid-Halbzelle, die mit der Glaselektrode zu einer sog. Einstab-Messkette zusammengebaut ist. Die Bezugselektrode ist über ein Diaphragma mit der zu messenden Lösung verbunden, das meist aus Glasschwamm, Keramik oder Platinschwamm ausgeführt ist. Bei Nichtgebrauch wird die Glaselektrode in einer Kaliumchloridlösung aufbewahrt, um das Diaphragma potentialneutral und leitfähig zu halten.

Links AgCl, rechts AgCl mit Zusätzen als Elektrolyt, deutlich erkennbar sind die Elektroden am roten Kabel und in der blauen Kuppel

Bei der Messung kann kaum ein belastbarer Strom erzeugt werden. Deshalb muss das Messgerät aus einem Verstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand und einem nachgeschalteten Spannungsanzeiger aufgebaut werden. Zur Kalibrierung muss sowohl der Nullpunkt als auch der Verstärkungsfaktor ("Steigung") der Schaltung verstellbar sein. Wegen der geringen Belastbarkeit des Messpotenzials kommt es auch sehr leicht zu Störungen der Messung, beispielsweise durch sog. Strömungspotenziale. Verunreinigungen und Auslaugungen des Diaphragmas führen ebenfalls zu Messfehlern. Ferner stellt sich ein stabiler Gleichgewichts-Messwert umso langsamer ein, je geringer die Pufferkapazität des Messgutes ist.

Ein neueres Messprinzip basiert auf einem ISFET (Ionen-Selektiver Feld-Effekt-Transistor). Die Messwerte des ISFET sind etwas stabiler und die nachgeschaltete Elektronik robuster. Dafür soll die Standzeit (Haltbarkeit, Zahl der möglichen Messvorgänge) des Sensors geringer sein. Die Messwerte stimmen zwischen Glaselektrode und ISFET nicht besonders gut überein, da die Abweichungen von der Linearität und die begleitenden Messfehler unterschiedlich sind.

Dies illustriert die allgemeine Problematik von pH-Angaben. Zum einen ist der pH-Wert theoretisch definiert: als der negativ genommene Zehnerlogarithmus der Hydronium-Ionen-Konzentration. Andererseits zeigt die Messung so viele Probleme, dass häufig die operationale Definition benutzt wird: der pH-Wert sei der von einem Glaselektroden-pH-Meter bei ruhendem Messgut von 20 °C angezeigte Messwert (plus weitere Spezifikationen des Eich- und Messvorgangs). Auf dem Bewusstsein für die Schwierigkeiten der pH-Ermittlung und der stillschweigenden Einigung auf diese operationale Definition beruht ein verbreiteter Widerstand von Messpraktikern gegen die ISFET-Messung.