Chemie des pH-Wertes
Was ist pH?
Die pH-Notation ist ein Index der chemischen Aktivität von Wasserstoff in einer Lösung. Der pH-Wert ist eine logarithmische Maßeinheit und wird verwendet, um den Säure-/Alkalinitätsgrad einer Substanz auszudrücken. Die Werte reichen von pH 1 bis pH 2 für starke Säuren, über pH 7 für neutrale Lösungen wie hochreines Wasser, bis hin zu Werten von pH 11 und höher für sehr starke Basen wie Lauge.
pH ist die Maßeinheit, die wir verwenden, um zu beschreiben, wie viele freie oder aktive Wasserstoffionen in einer Substanz vorhanden sind. Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Ein pH-Wert von 0 bedeutet eine sehr hohe Säureaktivität; ein pH-Wert von 14 bedeutet eine sehr geringe Säureaktivität. Zwischen diesen beiden Extremen liegt ein pH-Wert von 7. Dies ist der pH-Wert von reinem Wasser.
Die Zugabe einer starken Säure, wie Schwefelsäure (H2SO4) zu Wasser führt zu einer sehr hohen aktiven Säurekonzentration in der resultierenden Lösung. Dies wird als saure Lösung bezeichnet. Die Zugabe einer starken Base oder eines alkalischen Materials, wie Natriumhydroxid (NaOH), zu Wasser führt zu einer sehr geringen aktiven Säurekonzentration in der resultierenden Lösung. Dies wird als sehr basische oder alkalische Lösung bezeichnet. Wasser, das weder sehr sauer noch sehr alkalisch ist, wird als neutral bezeichnet. Die pH-Skala ist eine quantitative Methode, um die aktive Säure- oder Alkalikonzentration einer Lösung auszudrücken.
Warum ist der pH-Wert wichtig?
Der pH-Wert oder Säuregehalt einer Lösung ist in allen Phasen der Chemie und Biochemie wichtig.
In der chemischen Industrie …
Die effiziente Herstellung von Nylon sowie anderen modernen Fasern hängt von einer strengen pH-Kontrolle ab.
In der Biochemie …
Der pH-Wert unseres Blutes wird normalerweise durch unsere Körperchemie innerhalb weniger Zehntel einer pH-Einheit reguliert. Wenn sich der pH-Wert unseres Blutes um mehr als eine halbe pH-Einheit ändert, führt dies zu ernsthaften Erkrankungen. Ein korrekter Haut-pH-Wert ist entscheidend für einen gesunden Teint. Der pH-Wert des Magens beeinflusst direkt den Verdauungsprozess.
In der Agronomie …
Der pH-Wert des Bodens reguliert die Verfügbarkeit von Nährstoffen für das Pflanzenwachstum sowie die Aktivität der Bodenbakterien. In alkalischen Böden (pH 8 und höher) wird die Menge an Stickstoff, Phosphor, Eisen und anderen Nährstoffen in Lösung so gering, dass eine spezielle Behandlung erforderlich ist, um ein ordnungsgemäßes Wachstum zu gewährleisten.
In der Lebensmittelwissenschaft …
Die effiziente Herstellung von Lebensmitteln hängt von einer sorgfältigen pH-Kontrolle ab. Die richtige Gerinnungsgröße, Gleichmäßigkeit und Struktur von Hüttenkäse hängt direkt mit dem pH-Wert zum Zeitpunkt des Schneidens zusammen. Hefe kann einen Teig nur innerhalb bestimmter pH-Grenzen fermentieren und aufgehen lassen. Gelee geliert nicht richtig, es sei denn, der pH-Wert liegt im Bereich von 3,5.
In der Zellstoff- und Papierindustrie …
Die pH-Regelung ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von Bleichanlagen und Nasspartieprozessen unerlässlich. Um den Umweltschutzvorschriften zu entsprechen, muss auch der pH-Wert des Abwassers dieser Anlagen kontrolliert werden.
In der chemischen Forschung und Technik …
Eine genaue pH-Messung ist für die Untersuchung vieler chemischer Prozesse notwendig. Der Forscher muss den pH-Wert kennen, bei dem eine chemische Reaktion am schnellsten abläuft, um die Reaktion zu verstehen. Der Ingenieur nutzt diese Informationen, um praktische kommerzielle Prozesse zu entwickeln.
In der Umweltforschung und Umweltkontrolle …
Der pH-Wert eines Flusses oder Sees ist wichtig für die Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäßen ökologischen Gleichgewichts. Der pH-Wert des Wassers beeinflusst direkt die physiologischen Funktionen und die Nährstoffaufnahme durch Pflanzen- und Tierwelt. Extreme pH-Werte können einen See in einen leblosen, stinkenden Sumpf verwandeln.
Der Schutz unserer Gewässer erfordert eine ständige Überwachung der Industrieabwässer. Galvanik- und Metallveredelungsbetriebe sowie Bergbauunternehmen neigen dazu, saure Abwässer zu erzeugen. Chemieanlagen haben oft sehr alkalische Abwässer. pH-Messungen dienen als Leitfaden für die ordnungsgemäße Neutralisierung dieser Betriebsabfälle sowie zur Überwachung der Qualität des endgültigen Abwassers. Gelegentlich kann ein saurer Strom mit einem alkalischen Strom kombiniert werden, um einen Endstrom zu erzeugen, der nahe am Neutralpunkt liegt. pH-Messungen gewährleisten die ordnungsgemäße Verwaltung dieser kostensparenden Technik.
Mehr über pH… (für diejenigen, die es wirklich wissen wollen!)
Um mehr über den pH-Wert zu erfahren, müssen wir mehr über die Chemie des Wassers wissen. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen und sieht etwa so aus.
H = Wasserstoff: O = Sauerstoff:
Wassermolekül ( H2O ):
In reinem Wasser bleiben die meisten Wassermoleküle intakt. Eine sehr geringe Menge von ihnen reagiert jedoch auf folgende Weise miteinander.
H2O + H2 O ===> H3O+ + OH–
Wasser + Wasser ===> Hydronium-Ion+ ( eine Säure ) + Hydroxyl-Ion– ( eine Base )
Das Hydroniumion ( H3O+) ist die chemische Einheit, die die sauren Eigenschaften einer Lösung ausmacht. Das Hydroxylion ( OH– ) ist die Chemikalie, die die basischen oder alkalischen Eigenschaften einer Lösung ausmacht. Wie Sie sehen können, erzeugt reines Wasser, wenn es wie in Abbildung 2 beschrieben reagiert, eine gleiche Menge an H3O+ und OH–. Es hat also keinen Überschuss an einem der Ionen. Es wird daher als neutrale Lösung bezeichnet.
Wird eine starke Säure, wie Salzsäure ( HCl ), zu Wasser gegeben, reagiert sie mit einigen der Wassermoleküle wie folgt:
HCl + H2O <=====> H3O+ + Cl–
Somit erhöht die Zugabe von HCl zu Wasser die H3O+ oder Säurekonzentration der resultierenden Lösung.
Wird eine starke Base, wie Natriumhydroxid, zu Wasser gegeben, ionisiert sie wie folgt:
NaOH <=====> Na+ + OH–
Somit erhöht die Zugabe von NaOH zu Wasser die OH– oder Alkalikonzentration der resultierenden Lösungen.
Ein weiterer interessanter Aspekt von Wasser ist, dass die Konzentration von H3O+ und OH– im Gleichgewicht zueinander bleiben. Eine Erhöhung der Konzentration von H3O+ führt zu einer proportionalen Abnahme der Konzentration von OH–.
Dementsprechend kann eine Tabelle erstellt werden, die die Beziehung des pH-Wertes, der H3O+-Konzentration und der OH–-Konzentration zeigt.
Ionenaktivität ( Mole / Liter )
pH H3O+ (Säure) OH- (Base)0 1.0 0.00000000000001 1 0.1 0.0000000000001 | | | | | | | | | 13 0.0000000000001 0.1 14 0.00000000000001 1.0
Beachten Sie fünf Dinge in dieser Tabelle.
1. Mit abnehmender Säurekonzentration ( H3O+) steigt der pH-Wert.
2. Mit abnehmender Säurekonzentration ( H3O+) steigt die Basenkonzentration ( OH– ) proportional an.
3. Bei pH 7 sind die Säurekonzentration ( H3O+) und die Basenkonzentration ( OH– ) gleich. Dies wird als Neutralpunkt bezeichnet.
4. Die pH-Skala gibt an, um wie viele Stellen das Komma nach links verschoben wird, um die Säurekonzentration ( H3O+) auszudrücken.
5. Jede pH-Einheit entspricht einer zehnfachen Änderung der H3O+- oder OH–-Konzentration. Zum Beispiel ist eine Lösung bei pH 6 zehnmal stärker an H3O+-Ionen konzentriert als eine Lösung bei pH 7.
Somit können Sie dieser Tabelle entnehmen, dass die pH-Skala eine wesentlich prägnantere Methode ist, um den Säuregehalt einer Lösung quantitativ auszudrücken.
Wie der pH-Wert gemessen wird
Heute wird der pH-Wert einer Lösung entweder mit einem Indikatorfarbstoff oder mit einem pH-Meter und einem Elektrodensystem gemessen, dessen Spannungsausgang proportional zur aktiven Säurekonzentration ( H3O+) in der Lösung ist.
Bestimmte organische Farbstofflösungen ändern ihre Farbe in einem relativ kleinen pH-Bereich. Diese werden als Indikatorlösungen bezeichnet. Sie können verwendet werden, um den ungefähren pH-Wert einer Lösung anzuzeigen. Durch Zugabe weniger Tropfen eines Phenolphthalein-Indikators zu einer Lösung kann man erkennen, ob der pH-Wert der Lösung größer als 9 ist (erkennbar an der roten Farbe) oder kleiner als 9 (erkennbar am Fehlen der Farbe). Es können andere Farbstoffe ausgewählt werden, deren Farbänderungen andere pH-Bereiche anzeigen. Zum Beispiel wechselt Phenolrot bei pH 8, Bromthymolblau bei pH 7 und Bromphenolblau bei pH 4.
Der Einfachheit halber werden diese Farbstoffe oft auf einem Papierstreifen aufgetragen. Wenn ein Tropfen der zu testenden Lösung auf das Papier gegeben wird, zeigt die resultierende Farbveränderung den ungefähren pH-Wert der Testlösung an. Farbstoffindikatorlösungen oder -papier haben den Vorteil, dass sie recht preiswert, sehr tragbar und oft geeignet sind, wenn nur eine ungefähre pH-Messung erforderlich ist. Wenn hingegen präzise Messungen erforderlich sind und/oder die zu messende Lösung farbig ist, ist ein pH-Meter erforderlich. Dementsprechend wurden pH-Meter- und Elektrodensysteme entwickelt, die präzise auf den pH-Wert einer Lösung reagieren.
Um den pH-Wert zu messen, kann man eine beliebige Anzahl von leicht erhältlichen ($25 – $100) pH-Sonden verwenden. Eine pH-Sonde verhält sich wie eine Batterie, die bei niedrigem pH-Wert proportional eine positive Gleichspannung erzeugt, bei pH 7 nichts und bei hohen pH-Werten negative Spannungen. Alles, was wir also tun müssen, ist diese Spannung zu messen und in pH-Einheiten umzuwandeln.
Es gibt jedoch zwei Probleme. Ein Problem ist, dass der pH-Wert temperaturempfindlich ist, wobei die Ausgangsspannung von 54 Millivolt pro pH-Einheit bei null Grad Celsius bis zu 74 Millivolt pro pH-Einheit bei 100 °C reicht. Das bedeutet, dass wir die Verstärkung oder den Umrechnungsfaktor unserer pH-Messung manuell variieren müssen, um die Temperatur der gemessenen Lösung korrigieren zu können.
Das zweite Problem ist etwas komplexer und erklärt die früher hohen Kosten von pH-Instrumenten. Die Quellimpedanz unserer pH-Sonde beträgt 15 Megaohm für die "niederohmigen" Sonden und reicht bei speziellen Einheiten bis zu Hunderten von Megaohm. Um den pH-Wert zu messen, muss unser Spannungsverstärker eine Eingangsimpedanz haben, die im Vergleich zu 15 Megaohm sehr hoch ist. Hier hat die CMOS-Elektronik Abhilfe geschaffen und genaue und preiswerte pH-Meter ermöglicht.
Das pH-Elektrodensystem
pH-Elektrodensysteme bestehen immer aus zwei Elektroden, einer Messelektrode und einer Referenzelektrode. Der Einfachheit halber können diese beiden Elektroden in einem gemeinsamen Gehäuse, einer sogenannten Kombinationselektrode, konstruiert werden. Dies ist die beliebteste Form des pH-Elektrodensystems. Die Messelektrode enthält die speziell entwickelte Oberfläche, deren Spannung sich mit dem pH-Wert der Testlösung ändert. Die Referenzelektrode dient zum Abschluss des elektrischen Messkreises. Ihre einzige Funktion ist es, eine stabile (unveränderliche) Spannung zu liefern, mit der die Spannung der Messelektrode verglichen werden kann.
Die pH-Messelektrode
Im Jahr 1901 entdeckte der deutsche Chemiker Fritz Haber, dass sich die Spannung an bestimmten Glasoberflächen in regelmäßiger Weise mit dem Säuregrad einer Lösung änderte. Moderne pH-Messelektroden sind eine Verfeinerung dieser grundlegenden Entdeckung.
Die wesentlichen Merkmale einer pH-Messelektrode sind in dieser Abbildung dargestellt.
Die wichtigen Anforderungen an diese Elektrode sind, dass ...
- die Spannung an der inneren Referenz-/Fülllösungsoberfläche (E) konstant bleibt,
- die Spannung an der inneren Lösungs-/Glasmembranoberfläche (E) konstant bleibt, und ...
- die Spannung an der Glasmembran-/Testlösungsoberfläche (E) proportional zum pH-Wert der Testlösung variiert.
Es ist zu beachten, dass der elektrische Widerstand der Glasmembran extrem hoch ist. Daher ist ein spezielles Voltmeter erforderlich, um die Spannung einer pH-Messelektrode zu messen.
Die Referenzelektrode
Beim Messen der Spannung an der pH-Messelektrode mit einem Voltmeter muss der elektrische Stromkreis geschlossen werden. Diese Funktion übernimmt die Referenzelektrode. Ein bloßer Draht könnte verwendet werden, um den Stromkreis zu schließen. Die Spannung an seiner Oberfläche würde sich jedoch mit der Zeit und der Zusammensetzung der Testprobe unvorhersehbar ändern. Dementsprechend ist eine Referenzelektrode ein Draht, der mit der richtigen Metallwahl abgeschlossen und von der richtigen Metallionenlösung umgeben ist, um eine konstante Spannung unabhängig von Zeit und Testprobenzusammensetzung zu gewährleisten.
Die Kombinationselektrode
Die Kombinationselektrode ist eine Version des pH-Elektrodensystems, bei der die pH-Messelektrode und die Referenzelektrode in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind. Alle Kommentare, die für die einzelnen Elektroden gelten, gelten auch für deren Kombination. Die Vorteile dieser Form des Elektrodensystems umfassen die einfache Handhabung und die robuste Bauweise. Die Einzelkörperkonstruktion ermöglicht es auch, den pH-Wert kleiner Probenvolumina sowie den pH-Wert von Oberflächen, wie z. B. Erde und Haut, zu messen.
Das pH-Meter
Ein pH-Meter ist ein spezialisiertes Voltmeter, das zwei grundlegende Anforderungen erfüllen muss. Erstens muss es in der Lage sein, beim Messen der Spannung von extrem hochohmigen Elektroden genau zu funktionieren. Zweitens muss man seine Empfindlichkeit als Voltmeter an die pH-/Spannungscharakteristik des Elektrodensystems anpassen können.
Die meisten modernen pH-Meter verwenden vollelektronische Schaltungen mit sehr hohem Eingangswiderstand oder Impedanz. Diese Messgeräte messen die Spannung des pH-Elektrodensystems, während sie extrem wenig Strom ziehen. Glücklicherweise variiert die Spannungsänderung einer pH-Elektrode linear mit den pH-Einheiten. Bei Raumtemperatur verursacht eine Änderung von 1 pH-Einheit eine Spannungsänderung von etwa 60 Millivolt (mV) oder 0,060 Volt. Bei 0 Grad Celsius (Temperatur, bei der Wasser gefriert) verursacht eine Änderung von 1 pH-Einheit eine Änderung von 54 mV. Bei 100 °C verursacht eine Änderung von 1 pH-Einheit eine Änderung von 70 mV. Ein richtig konstruiertes pH-Meter verfügt daher über einen Temperaturregler, der die Empfindlichkeit des Messgeräts an die Spannung der Elektroden anpasst.
Gelegentlich liefern spezialisierte Messelektroden nicht die volle Spannung, die theoretisch vorhergesagt würde. Dementsprechend verfügen sehr vielseitige pH-Meter auch über eine zusätzliche Empfindlichkeitsregelung, die als Steilheitsregelung bezeichnet wird. Diese Regelung, ähnlich dem Temperaturregler, ermöglicht es dem Analytiker, die Empfindlichkeit des Messgeräts an die Spannung der Elektroden anzupassen.
Der pH-Standard
Die Spannung der pH-Elektroden kann bei jedem gegebenen pH-Wert annähernd vorhergesagt werden. Für höchste Genauigkeit kann das pH-Elektrodensystem jedoch in eine Lösung mit bekanntem pH-Wert getaucht und das Messgerät dann auf diesen pH-Wert eingestellt werden. Diese Einstellung wird als Standardisierung des pH-Systems bezeichnet. Die verwendete Lösung wird als pH-Standardpufferlösung bezeichnet. Die chemische Zusammensetzung von pH-Standardpufferlösungen wurde vom U.S. National Bureau of Standards definiert. Solche Lösungen können von einem kompetenten Chemiker oder Techniker hergestellt werden. Sie sind auch bei den meisten Herstellern von pH-Metern erhältlich.
Die folgende Tabelle listet die gängigeren pH-Standardlösungen auf.
pH-Wert 25 C. Zusammensetzung
1,68 – Kaliumtetroxalat ( 0,05M )
3,56 – Kaliumhydrogentartrat ( gesättigt )
4,01 – Kaliumhydrogenphthalat ( 0,05M )
6,86 – Kaliumdihydrogenphosphat ( 0,025M )
9,18 – Borax ( 0,01M )
12,45 – Calciumhydroxid ( gesättigt )
Für höchste Genauigkeit sollte ein pH-Meter mit einer Standardlösung kalibriert werden, deren Wert nahe dem der Testlösung liegt. Die Kalibrierung mit dem pH-Wert = 6,86-Standard stellt jedoch einen guten Kompromiss dar, wenn die Testlösungen einen breiten Bereich von pH-Werten abdecken.
Ein pH-Meter kann wie folgt standardisiert werden:
1. Elektroden mit destilliertem (oder deionisiertem) Wasser spülen und trocken tupfen.
2. Elektroden in pH-Standardpufferlösung platzieren.
3. Temperaturregler des pH-Meters auf die Temperatur der Standardlösung einstellen.
4. pH-Meter auf „Betrieb“ stellen.
5. pH-Meter mit dem „Standardisierungs“-Regler auf den pH-Wert des Standards einstellen. DAS pH-METER IST NUN STANDARDIERT.
6. pH-Meter auf „Standby“ stellen.
7. Elektroden aus dem Standard entnehmen und mit Wasser spülen.
Das pH-Messverfahren
Sobald das pH-Meter standardisiert ist, ist das Messverfahren so einfach wie folgt:
1. Elektroden mit destilliertem (oder deionisiertem) Wasser spülen und trocken tupfen.
2. Elektroden in Testlösung platzieren.
3. Temperaturregler des pH-Meters auf die Temperatur der Testlösung einstellen.
4. pH-Meter auf „Betrieb“ stellen.
5. Den pH-Wert der Testlösung direkt am pH-Meter ablesen.
6. pH-Meter auf „Standby“ stellen.
7. Elektroden aus der Testlösung entnehmen und mit Wasser spülen.
Redox-Messungen
Die Messung des Oxidations-Reduktions-Potenzials einer Lösung wird gemeinhin als Redox-Messung bezeichnet. Diese Messung gibt einen Hinweis auf die oxidierende oder reduzierende Kraft einer Lösung. Da ein pH-Meter auch ein sehr gutes Voltmeter ist, kann es für Redox-Messungen verwendet werden. Die bei dieser Messung verwendete Messelektrode ist in der Regel Platin, obwohl Gold und Silber für spezielle Zwecke verwendet wurden. Die Referenzelektrode ist die gleiche wie die bei pH-Messungen verwendete. Das Elektrodenpotential wird üblicherweise in Millivolt (mV) ausgedrückt. Daher verfügen die meisten pH-Meter sowohl über eine (mV)-Skala als auch über eine pH-Skala. Da der Temperaturkoeffizient mit dem jeweils gemessenen Redoxpaar variiert, wird die Temperaturregelung während der (mV)-Messung deaktiviert.
plon-Messungen
In den letzten Jahren wurden Elektroden entwickelt, die der pH-Elektrode ähneln, aber spezifisch für andere Ionen sind. Dazu gehören Elektroden für Ammoniak, Chlorid, Cyanid, Nitrat und Sulfid, um nur einige zu nennen. Diese Elektroden können in Kombination mit einer Referenzelektrode mit jedem modernen pH-Meter verwendet werden. Das Messgerät sollte in einer Lösung mit bekanntem pIon des interessierenden Ions standardisiert werden, genau wie bei der pH-Standardisierung. Der pIon einer Testlösung kann dann direkt am Messgerät abgelesen werden, wie bei der pH-Messung.
Markson Science Inc. 1-800-854-2822; (714) 755-6655
203 Oak St. Del Mar, CA 92014
Wie wir sehen, ist pH eine Art, über den elektrischen Zustand der chemischen Lösung zu sprechen. Sehr reines Wasser leitet keinen Strom, und das Maß für den Widerstand von Wasser wird oft als Indikator für die Reinheit des Wassers verwendet. Je höher der Widerstand, desto reiner das Wasser. Es ist die ionische Ladung der im Wasser gelösten Atome und Mineralien, die für den Elektronenfluss verantwortlich ist.
„Sowohl pH als auch die spezifische Leitfähigkeit können durch das Vorhandensein geringster Mengen von „Verunreinigungen“ wie Carbonate und Oxide erheblich beeinflusst werden. Die Löslichkeit vieler dieser Stoffe liegt nur im Bereich von 5 bis 25 ppm. Bei der Umwandlung in Bicarbonate durch atmosphärisches Kohlendioxid kann die Löslichkeit jedoch stark erhöht werden. Beispiel: die Umwandlung von Calciumoxid – in Calciumcarbonat – in Calciumhydrogencarbonat.“ – Thomas M. Riddick
pH des Blutes – Säure-Basen-Gleichgewicht
Michael J. Bookallil – Senior Lecturer in Anaesthetics, Royal Prince Alfred Hospital – The University of Sydney
pH und Körpertemperatur
M J Bookallil