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REINSTWASSER

pH-Wert im Reinstwasser - Theorie und Praxis

| Autor/ Redakteur: Michael Illich*, Herbert Bendlin** / Marc Platthaus

Die Messung des pH-Wertes in einem chemischanalytischen Labor ist Routine. Dennoch werden häufig falsche Werte gemessen oder das für die Eichpuffer eingesetzte Reinstwasser wird ebenfalls auf den pH-Wert überprüft. Dabei treten plötzlich Probleme auf, die eigentlich gar keine sind. Der folgende Fachbeitrag erläutert die Zusammenhänge.

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Abb.1: Arium-Anlage zur Herstellung von analysenreinem Wasser vom Typ 1
Abb.1: Arium-Anlage zur Herstellung von analysenreinem Wasser vom Typ 1
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Messung des pH-Wertes in einem chemischanalytischen Labor ist Routine. Dennoch werden häufig falsche Werte gemessen oder das für die Eichpuffer eingesetzte Reinstwasser wird ebenfalls auf den pH-Wert überprüft. Dabei treten plötzlich Probleme auf, die eigentlich gar keine sind. Der folgende Fachbeitrag erläutert die Zusammenhänge.

Der pH-Wert einer wässrigen Lösung ist ein Maß dafür, ob die Lösung „sauer oder alkalisch“ ist. Als Maß wird jedoch nicht die Konzentrationsangabe direkt verwendet sondern der dekadische Logarithmus der Wasserstoffionen-konzentration. Eine Änderung um den Faktor 10 ist also auf der pH-Skala von 0 bis 14 nur eine Verschiebung um den Wert 1. Für die praktische Messung des pH-Wertes im Labor sind einige Information von großer Bedeutung.

- Die Messung des pH-Wertes geht immer zurück auf eine Reihe von Standardpufferlösungen bei der Kalibrierung.- Bei der potentiometrischen Bestimmung des pH-Wertes fließt über das Messgerät ein Elektronenstrom. Dieses kann jedoch nur dann geschehen, wenn auch die Lösung eine ausreichende spezifische Leitfähigkeit besitzt. Gutes Reinstwasser erfüllt diese Bedingung aber nicht, erst ab einer spezifischen Leitfähigkeit (Vorhandensein von Ionen) von mehreren µS/cm ist diese Bedingung erfüllt. Eine geringe Leitfähigkeit ist gleichbedeutend mit einem hohen elektrischen Widerstand. Der Gesamtwiderstand des pH-Messsystems ist aber so gering wie möglich zu halten, um die Ansprechzeit zu reduzieren und den driftenden pH-Wert zu vermeiden.- Der pH-Wert ist temperaturabhängig; ein pH-Wert, abweichend von pH 7, bedeutet also nicht immer eine saure oder alkalische Lösung. Auch verhalten sich die verschiedenen Lösungen sehr unterschiedlich (siehe Tabelle 1).

Die Restleitfähigkeit eines Reinstwassers von 0,055 µS/cm bei 25 °C kommt nicht von den Verunreinigungen im Wasser, sondern von den wenigen in H+- und OH--Ionen dissoziierten Wassermolekülen (c=2·10-7 mol/l Ionen) des Wassers. Diese geringe Zahl an Ionen reicht für den erforderlichen Stromfluss in der pH-Wertmesskette nicht aus. Das Messmedium Reinstwasser ist also grundsätzlich ungeeignet, da es die elektrische Verbindung zwischen Glas- und Bezugselektrode nicht herstellen kann. Für die praktische Messung einer wässrigen Lösung muss daher neben der genauen Temperaturmessung immer auf eine ausreichende spezifische Leitfähigkeit der zu prüfenden Lösung geachtet werden.

Häufig wird dabei die Probe im Becherglas in Kontakt mit Luft (enthält CO2) gemessen. Ein hochreines Wasser nimmt dabei schnell das CO2 auf und aufgrund des ungepufferten Systems wird ein saurer pH-Wert gemessen, der aber nicht identisch mit dem ursprünglichem pH-Wert des Reinstwassers ist - reines Wasser mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 0,055 µS/cm muss einen pH-Wert von 7 haben. Wenn mehr als die durch Eigendissoziation entstandenen H+ oder OH- Ionen im Wasser wären, könnte die geringe Leitfähigkeit nicht erreicht werden. Eine Überprüfung des pH-Wertes von Reinstwasser kann also problemlos über eine Messung der spezifischen Leitfähigkeit erfolgen.

Zugabe von Salz bei der pH-Bestimmung nicht empfehlenswert

Häufig wird in der Praxis für eine pH-Wertmessung von Reinstwasser „etwas Salz“ , z.B. Kaliumchlorid, zugegeben. Bei diesem neutralen Salz sind die Wanderungsgeschwindigkeiten des Kations und des Anions fast identisch. Diese Salzzugabe bedeutet aber auch nur eine Veränderung (Erhöhung) der Leitfähigkeit. Diese Verfahrensweise führt oft zu sauren pH-Werten, weil auch Kohlensäure (CO2 aus der Luft) zugeführt wird - von dieser Vorgehensweise ist daher abzuraten. Ein pH-neutrales Reinstwasser mit pH 7 verändert diesen Wert durch die Luftaufnahme bis zur Sättigung mit der Luft auf einen Wert von ca. 5,4. Bereits 1 Prozent der Sättigung mit Luft bedeutet eine Absenkung auf etwa 6,3-6,4.

Eine korrekte Messung erfordert daher zwingend eine Durchflussmessung unter Luftausschluss [1, 2]. Einige Hersteller von Elektroden empfehlen auch aufgrund der geschilderten Probleme (geringe Leitfähigkeit und geringe Pufferkapazität in der zu messenden Probe) ein Arbeiten unter Schutzgas (z.B. Stickstoff oder Argon), um die Aufnahme von CO2 zu verhindern [3]. Eine entsprechende Diskussion mit Hinweisen zur Problemlösung findet man unter [4, 5].

Herstellung von Reinstwasser im analytischen Labor

Die Herstellung von Reinstwasser im analytischen Labor sollte daher am Arbeitsplatz mit einem Gerät erfolgen, welches die schnelle Herstellung in ausreichender Menge erlaubt. Eine Lagerung des Reinstwassers bedeutet sowohl eine Verschlechterung der analytischen Parameter als auch eine Veränderung des pH-Wertes. Im Labor der Pfeifer Umwelt-GmbH wird daher das vorbehandelte, entsalzte Wasser in einem Polisher von Sartorius nachträglich aufbereitet und sofort für die Messungen eingesetzt, wenn die spezifische Leitfähigkeit 0,055 µS/cm in dem Display des Gerätes beträgt. Die verschiedenen Aufbereitungstechnologien wie Aktivkohle, Ionenaustauscher und Membranfiltration garantieren die erforderliche Reinheit des produzierten Wassers. Die Bestimmung des pH-Wertes, der Temperatur und des Redoxpotenzials gehören zum Standard einer Wasseranalyse. Im täglichen Laboreinsatz sind einfache Bedienung, geringe Wartungsarbeiten sowie eine hohe Automatisierung zwingend für eine gute Messsicherheit. Für die Kalibrierung der Geräte braucht man ein Reinstwasser konstanter Qualität und die entsprechenden Chemikalien für den Ansatz der Pufferlösungen.

Die so erhaltenen Lösungen werden mit käuflichen Prüflösungen (rückführbar auf einen international anerkannten Standard) verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Arbeiten eine gute Messsicherheit und Genauigkeit haben, sie zeigen aber auch, dass die Herstellung des Reinstwassers und der pH-Wert des Reinstwassers entsprechend den Anforderungen nach GLP-Standard und ISO 17025 erfolgen bzw. richtig sind. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich dieses Reinstwassers ist sein Einsatz als Laufmittel /Eluent für die IC und HPLC.

*Dr. M. Illich, Pfeifer Umwelt-GmbH (PUG), 56075 Koblenz**Dr. H. Bendlin, Sv-Büro Dr. Bendlin, 56235 Ransbach-Baumbach

Literatur:[1] H. Galster, VGB Kraftwerkstechnik 59,885-889 (1979)[2] Informationen zur Reinstwassermessung, Firmenschrift M.K. Juchheim GmbH, 36035 Fulda; www.jumo.net[3] Metrohm Information Nr. 3/1999[4] Helmuth Galster, pH-Messung–Grundlagen, Methoden, Anwendungen, Geräte VCH VerlagsgesellschaftmbH, Weinheim, 1990, ISBN 3-527-27836-2[5] U. Braun. J. Schleicher; PROCESS 12-2003

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