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pH-Elektrode: Funktion, Kalibrierung, Anwendungsbereiche der pH-Wert-Messung

Begriffe wie pH-neutral kennt man häufig aus der Werbung für Handcremes, Duschgels oder andere Pflegeprodukte. Dieser Messwert spielt allerdings nicht nur in der Kosmetik, sondern auch in vielen weiteren Bereichen eine wichtige Rolle - im Privaten genauso wie in der Industrie. Er wird beispielsweise herangezogen, um die Qualität von Stoffen in der Lebensmittelverarbeitung, der Aquaristik, Fischzucht oder Umweltanalytik zu beurteilen. Auf diesem Weg lässt sich schnell und einfach erkennen, ob eine Lösung zu sauer oder zu basisch ist und deshalb unerwünschte Reaktionen verursachen kann.    

In privaten Haushalten werden oft Messstreifen oder Messstäbchen genutzt, um das Aquariumwasser oder selbst hergestellte Cremes zu überprüfen. Diese zeigen den pH-Wert durch eine Verfärbung an. Allerdings können Benutzer nicht immer einwandfrei feststellen, welcher genaue Wert angezeigt wird. Besonders wenn es auch auf die Zahl hinter dem Komma ankommt. Möchte man den exakten pH-Wert wissen, bietet sich der Kauf eines pH-Meters an. Dieses Gerät zeigt einen genauen Messwert, der in einem elektrochemischen Verfahren ermittelt wird. Dabei übernimmt die pH-Elektrode eine zentrale Aufgabe.  


Was ist der pH-Wert?

Die pH-Wert-Tabelle reicht von 0 (äußerst sauer) bis 14 (äußerst basisch).

Der pH-Wert gibt Aufschluss über die Wasserstoffionenkonzentration in einem festen, halbfesten, halbflüssigen oder flüssigen Medium. Die Abkürzung pH steht hierbei für potentia hydrogenii. Je nach Stärke des Wasserstoffs zeigt das Gerät einen Wert zwischen 1 und 14 an. Alle Werte unter 7 sind alkalisch (basisch), alle Werte über 7 sind azid (sauer). Als neutraler Wert gilt pH7, der dem Messwert von Wasser entspricht. Kurz zusammengefasst: 

  • Saure, wässrige Lösungen: pH < 7  
  • Reines Wasser: pH 7
  • Basische, wässrige Lösungen: pH >7 

Was ist eine pH-Elektrode?

Aufbau eines pH-Messgeräts

In der Regel wird eine pH-Wert-Messung mit einer pH-Einstabmesskette ausgeführt. Eine pH-Einstabmesskette beinhaltet alle notwendigen Bauteile in einer Elektrode: Arbeitselektrode (pH-Elektrode), Bezugselektrode (Referenzelektrode) und teilweise sogar die Temperaturmessung.  

Als Arbeitselektrode hat sich eine Glaselektrode bewährt. Diese besteht aus einer Glasmembran, einem Innenpuffer und der Messelektrode. Die Glas-pH-Elektrode ist in der Regel zylindrisch geformt. Doch aufgrund der Konsistenz, der Temperatur und der Größe der Probe kann die Wahl einer anders geformten Elektrode nötig werden. Beispielsweise eignen sich Einstichelektroden für festere Stoffe, halbkugelförmige Glaselektroden messen Proben mit geringem Volumen.  

1 Anschlussleitungen

2 Referenzelektrode (Bezugselektrode)

Messelektrode (pH-Elektrode)

4 Elektrolyt

5 Glasmembran

6 Diaphragma: Stellt den elektrischen Kontakt zwischen Referenzelektrode und Messlösung her, wobei kein Stoffaustausch stattfindet.   

7 Innenpuffer

8 pH-Meter


Wie funktioniert eine pH-Elektrode?

Man könnte nun in die Tiefen der Naturwissenschaften eintauchen, doch das soll an dieser Stelle nicht passieren. Einfach erklärt taucht man die Elektrode in eine Säuren- oder Basen-Lösung. Daraufhin kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion: H+ Ionen lagern sich an der Glasmembran an und es entsteht ein messbares, elektrisches Potential. Dieses wird ermittelt, indem man den Spannungsunterschied zwischen dem Inneren der Glasmembrankugel und ihrem Äußeren misst. Bei dieser Messung wird also die Anzahl der H+ Ionen anhand der Leitfähigkeit des Stroms zwischen pH-Elektrode und Referenzelektrode ermittelt. Je besser die Lösung den Strom leitet, desto mehr H+ Ionen enthält sie und desto saurer ist sie. Das Messgerät rechnet diese Potentialdifferenz (mV) in pH-Einheiten um. 

Temperatur

Zu beachten ist die Temperatur während des Messvorgangs. Denn mit zunehmender Temperatur steigt auch die Leitfähigkeit von ionischen, wässrigen Elektrolytlösungen an. Die Spannung einer pH-Messkette ändert sich, sobald sich auch der Wärmegrad ändert (Nernst'sche Gleichung). Kalibriert man nun das pH-Messgerät bei einer Temperatur und misst bei einer anderen, kann es zu falschen Ergebnissen kommen. Auch Vergleichsmessungen von Proben bei unterschiedlichen Wärmegraden können am Ende zu einem verfälschten Ergebnis führen.    

Reinigung

Zur Reinigung sollte die Elektrode nach der Nutzung für etwa 10 Minuten in eine Pepsin-Reinigungslösung gestellt werden. Grobe Verschmutzungen lassen sich in der Regel mit einem milden Reinigungs- oder Spülmittel und einem weichen Tuch beseitigen. Nutzt man die pH-Elektrode regelmäßig, weil man beispielsweise ein Aquarium oder einen Pool besitzt, sind Messgeräte mit austauschbarer Elektrode sinnvoll. Auf diese Weise muss das Gerät bei größeren Verschmutzungen oder einem Defekt nicht vollständig ausgetauscht werden.

Aufbewahrung

Hinsichtlich der Aufbewahrung sollte die Glasmembran immer in einer speziell geeigneten Aufbewahrungslösung stehen. Auch pH 4- oder pH 7-Pufferlösungen eignen sich. Ist die Glasmembran einmal eingetrocknet, sollte sie vor dem Gebrauch 24 Stunden lang in einer Kaliumchloridlösung gewässert werden. Die Elektrode darf niemals für längere Zeit in destilliertem oder deionisiertem Wasser stehen, da ihre Funktionstüchtigkeit eingeschränkt werden würde.   


Wie oft soll man eine pH-Elektrode kalibrieren?

Damit die Elektrode dauerhaft zuverlässige Werte misst, ist eine regelmäßige Kalibrierung unerlässlich. Am besten führt man diese immer vor einer Messung durch. Für eine Zwei-Punkt-Kalibrierung nutzt man zwei Pufferlösungen mit vordefinierten pH-Werten, die um mindestens zwei pH-Einheiten voneinander abweichen sollten. Diese Flüssigkeiten gibt es gebrauchsfertig zu kaufen.

In der Regel nutzt man zur Kalibrierung eine Lösung mit pH 7, da die Elektrode darin 0 mV abgibt und neutral ist. Weicht das Messergebnis vom bekannten Wert der Lösung ab, muss das Messgerät entsprechend eingestellt werden. Bei der ersten Messung wird auf diese Weise die Asymmetrie der Elektrode korrigiert. Die zweite Pufferlösung weist meist pH 4 oder pH 2 auf. Mit ihr wird die Steilheit der Elektrode korrigiert. 


Anwendungsgebiete für eine pH-Messung

Bodenqualität mit pH-Elektroden bestimmen

Der pH-Wert des Bodens ist einer der Faktoren, die bei der Bepflanzung über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Denn egal ob Ziersträucher, Rasen, Blumen, Gemüsepflanzen oder Obstbäume: Jede Pflanze hat ihre eigenen Vorlieben in Bezug auf den Säuregehalt der Erde. Stimmt der pH-Wert nicht, kann dies die Aufnahme der Nährstoffe reduzieren. Daher ist es nicht nur für Landwirte empfehlenswert, die Bodenqualität ihrer Felder zu überprüfen. Auch Hobbygärtner werden sich über gut gedeihende Pflanzen und dichten Rasen freuen, weil der Boden passt.  

Als sauer gelten Böden mit einem Wert von unter pH6,5. Zwischen 6,5 und 7,5 werden Böden als neutral und jeder Wert über 7,5 als alkalisch bezeichnet. Kommen Heidelbeeren beispielsweise mit einem pH-Wert von 4 bis 6 zurecht, benötigen Kirschen einen Wert zwischen 6,5 und 7,5. Bei den Gemüsesorten gibt es ebenfalls große Unterschiede. Kartoffeln sind bekannterweise recht anspruchslos und wachsen zwischen pH5 bis 6,5. Blumenkohl oder Lauch benötigen einen neutralen Untergrund von 6,5 bis 7,5.    

Beim Rasen kommt es nicht nur auf den pH-Wert an, sondern auch auf die Zusammensetzung des Bodens. Prinzipiell mag Gras lieber sauere Böden mit einem pH-Wert von unter 7. 

Wie kann man den pH-Wert des Bodens ermitteln und verändern?

Für die Messung von Bodenwerten gibt es speziell konstruierte Messgeräte, die man direkt in die Erde stechen kann. Dabei sollte man beachten, dass der Boden an unterschiedlichen Stellen auch unterschiedliche Messergebnisse hervorbringen kann.

Hat man ein Gerät zur Hand, das nur Flüssigkeiten bewerten kann, ist die Entnahme und Präparierung einer Bodenprobe erforderlich. Je nach Homogenität des Bodens sollte an mehreren Stellen Erde entnommen werden. Dabei ist es wichtig, nicht nur an der Oberfläche zu kratzen, sondern Erde aus den tieferen Schichten zu sammeln, in denen die Wurzeln der Pflanzen wachsen. Es hängt also von den Pflanzenarten ab, wie tief man graben muss. 

Jede der entnommenen Bodenproben vermischt man und entnimmt 100 Gramm. Die Probe füllt man in ein sauberes Behältnis und verrührt sie mit 100 ml destilliertem Wasser. Nach einer Wartezeit von etwa 10 Minuten kommt das pH-Messgerät zum Einsatz, mit dem man wie gewohnt den pH-Wert ermittelt. 

Eignet sich der Boden nicht für die gewünschten Pflanzen, ist das nicht das Ende. Denn man kann den Wert mit etwas Arbeitsaufwand verändern. Ein zu geringer pH-Wert vermindert zum einen die Aktivität von Mikroorganismen, zum anderen können Pflanzen vermehrt Schwermetalle aufnehmen. Soll der pH-Wert steigen, schafft Kalk Abhilfe. Dieser wird auf dem Boden verteilt und unter die Erde geharkt. Ein zu hoher Wert kann die Aufnahmen von Phosphat und einigen Spurenelementen vermindern. Um den pH-Wert zu senken, hilft es Torf, Nadelkompost oder Granitmehl in den Boden einzuarbeiten.  


Wasserqualität

Die Sicherstellung einer guten Wasserqualität ist in vielen Bereichen enorm wichtig. Der pH-Wert des Wassers lässt sich durch seine Karbonathärte und seinen CO2-Gehalt beeinflussen.

Für die pH-Messung entnimmt man am besten eine Probe des Wassers in einem sauberen Behältnis und hält die Elektrode in die Flüssigkeit, bis ein entsprechender Wert angezeigt wird. 

Trinkwasser

Normalerweise ist das Wasser aus der Leitung in Deutschland unbedenklich und trinkbar. Es wird zuverlässig kontrolliert und bei Bedarf entsprechend aufbereitet. Trinkwasser sollte laut Trinkwasserverordnung einen Wert zwischen pH6,5 und 9,5 haben. Geringere Werte sind für die menschliche Gesundheit prinzipiell unbedenklich. Problematisch sind sie, weil der erhöhte Säuregrad zur Korrosion bei Rohrleitungen aus Kupfer oder verzinktem Stahl führen kann.  

Schwimmbad und Pool

Eine regelmäßige Messung ist sowohl in öffentlichen Schwimmbädern als auch in privaten Pools nötig. Ist das Wasser nämlich zu sauer (unter 5,5), kann es zu Augenreizungen und zur Beschädigung von Einstiegshilfen oder Handläufen kommen. Darüber hinaus wirken andere Zugaben wie Chlor nicht optimal. Deshalb empfiehlt sich ein Wert zwischen pH7 und 7,4. 

Natürlich kann sich auch hier der pH-Wert erhöhen oder absenken. Dann ist der Einsatz von speziellen Mitteln für Pools oder bewährte Hausmittel empfehlenswert. Um den Wert zu senken, hilft Essig und Zitronensäure. Zum Erhöhen ist Soda bzw. Natriumcarbonat geeignet.   

Fischzucht und Aquaristik

In beiden Bereichen muss der pH-Wert für die Gesundheit der Fische beachtet werden. Je nach Fischart sind die Anforderungen an das Gewässer unterschiedlich. So sind Zierfische oftmals mit neutralem oder leicht sauerem Wasser (pH6 bis 7) zufrieden. Allerdings gibt es auch Arten, die leicht basisches Wasser mit einem Wert bis 8,5 mögen. In Teichen, in denen Forellen, Karpfen oder andere Fischarten gezüchtet werden, sollte der pH-Wert zwischen 7 und 8,5 liegen. Dies kann sich durch die Zugabe von Leitungswasser oder durch Regen verändern. Deshalb sollte man auch hier wöchentliche pH-Messungen durchführen. 

Liefert die pH-Wertmessung ein zu niedriges oder zu hohes Ergebnis, lässt sich dieses leicht in die gewünschte Richtung verändern.

Ist der Wert kleiner als pH7, kann sich salpetrige Säure bilden. Um dies zu vermeiden, helfen beispielsweise:

  • Oberflächenbewegung erhöhen, indem man den Ausströmer des Filters knapp unterhalb der Wasseroberfläche platziert. So sinkt der CO2-Gehalt.
  • Wasseraufbereiter, die die Karbonhärte erhöhen. Beim Gebrauch ist unbedingt auf die richtige Dosierung zu achten. 
  • Teichpflegeprodukte erhöhen den pH-Wert ebenfalls. Ihre Anwendung ist einfach, es sollte nur auf die richtige Dosierung geachtet werden. Sie werden in flüssiger oder in Pulverform angeboten und einfach im Wasser verteilt. 

Ist das Wasser nicht sauer genug, ist die Bildung von Ammoniak möglich. Diese Möglichkeiten schaffen Abhilfe:

  • Torf: Damit das Wasser nicht eintrübt, sollte es entweder nur kurz während der Aufbereitung über den Torf laufen. Im Aquarium zu Hause hilft ein durchlässiger, mit Torf gefüllter Beutel, der im Wasser hängt. Im Teich platziert man das Torf am besten im Filter oder an einer Stelle mit hoher Strömung. 
  • Erlenzäpfchen bieten sich in kleineren Aquarien an und werden einfach ins Wasser gelegt.  
  • Osmosewasser ist sehr weiches Wasser, das in einer Mischung mit Leitungswasser für einen geringeren pH-Wert sorgt als reines Leitungswasser.  
  • Soil als Bodenbelag senkt den pH-Wert ebenfalls, verliert jedoch nach einer gewissen Zeit die Wirkung und muss ausgetauscht werden.
  • Teichpflegemittel gibt es als Pulver oder in flüssiger Form. Sie lassen sich einfach in den Teich streuen oder gießen. 

Lebensmittelanalytik

Einen schnellen Hinweis auf die Qualität, also Geschmack, Textur, Haltbarkeit, Erscheinungsbild und Fermentation, eines Lebensmittels gibt die Messung mit ph-Elektroden. Gerade bei Lebensmitteln gibt es zahlreiche Variablen, die bei der Messung berücksichtigt werden müssen:

  • Konsistenz: Von flüssig bis fest muss das Messgerät mit der Konsistenz der Probe umgehen können. 
  • Temperatur: Am besten eignen sich gekühlte bis warme Proben für Messungen. Wie weiter oben erwähnt, muss die Temperatur bei der Kalibrierung und bei Vergleichsmessungen unbedingt beachtet werden. Mittlerweile gibt es verschiedene pH-Meter, die für unterschiedliche Wärmegrade und Konsistenzen geeignet sind.  
  • Hygiene: Diese spielt bei Lebensmitteln eine sehr große Rolle, denn die Lebensmittel sollten nicht durch verschmutzte Elektroden verunreinigt werden. 

Das beste Messergebnis erhält man, wenn man direkt an der Probe misst, ohne sie zu präparieren. Um die Glaselektrode deshalb nicht durch zu hohe Temperaturen zu zerstören, muss man darauf achten, dass sie für den entsprechenden Wärmegrad geeignet ist. Für die Konsistenz der Proben gibt es verschiedene Formen der Glasmembrane. Dies ist besonders bei festen Stoffen entscheidend. So helfen pH-Meter mit auswechselbaren Edelstahlklingen bei einer hygienischen und unkomplizierten pH-Messung, beispielsweise bei angetautem Fleisch. Für heiße Proben gibt es spezielle Messgeräte mit Hochtemperaturglas und stoßsicherer Titanhülle, die eine Temperatur bis 80 °C aushalten.    


Kosmetikherstellung

Ein weiterer Bereich, in dem eine Messung mit pH-Glaselektroden nötig ist, ist die Kosmetik. Die menschliche Haut hat durch ihren natürlichen Säureschutzmantel einen Wert zwischen pH4,7 und 5,75. Durch verschiedene Faktoren wie der Kontakt mit Chemikalien oder alkalischer Kosmetik kann dieser Schutzmantel gestört werden. Bakterien und Schadstoffe gelangen ungehindert an die Haut und können sie schädigen. Deshalb ist es in der Kosmetikherstellung, sei es im industriellen Umfang oder in kleineren Mengen in einer Apotheke oder daheim, wichtig, den pH-Wert regelmäßig zu prüfen. 

Für eine Messung entnimmt man am Ende der Rezepturherstellung, wenn auch die Konservierungsstoffe schon enthalten sind, eine Probe und füllt sie in einen sauberen Behälter. Bei Lösungen oder Suspensionen ist keine Präparierung nötig. Halbfeste Stoffe können vorher mit destilliertem Wasser im Verhältnis 1:10 vermischt werden.

Stellt man fest, dass die hergestellte Creme zu basisch ist, kann man beispielsweise 80 prozentige Milchsäure oder Zitronensaftkonzentrat tröpfchenweise dazugeben, bis der entsprechende Wert erreicht ist. Um eine Creme weniger sauer zu machen, hilft beispielsweise 5 prozentige Natriumhydrogenkarbonat-Lösung oder Natriumlaktat. Um den richtigen pH-Wert zu erhalten, sollte man sich auch hier langsam vorantasten und immer wieder testen.  

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