Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die pH-Messung?

Die pH-Wert-Messung ist mit modernen Geräten Routine. Labormitarbeiter sollten sich aber im Klaren sein, dass es äußere Faktoren gibt, die das Ergebnis beeinflussen können. Wie wird der Temperatureinfluss bestimmt und welche Maßnahmen kann man für den richtigen pH-Wert ergreifen?

Welchen Einfluss hat die Temperatur bei der pH-Messung? Was sind Isothermen? Wie funktioniert die Temperaturkompensation? Wie verändert sich der pH-Wert von Pufferlösung und Probe mit der Temperatur?

Dies sind extrem wichtige Fragen, die bei der routinemäßigen pH-Messung unbedingt beachtet werden sollten. Eine pH-Messung geht mit modernem Equipment sehr leicht von der Hand und schnell übersieht der Anwender, dass es sich hierbei um extrem komplexe Vorgänge handelt.

Abb.1: Temperaturabhängigkeit des Nernst-Faktors (Bild: Xylem Analytics)

Die Spannung einer pH-Messkette ändert sich mit der Temperatur. Dieses Verhalten lässt sich durch die Nernst‘sche Gleichung beschreiben.

Bei:

• a_H+: Aktivität des Wasserstoffions
• U₀: Standardpotenzial
• R: Gaskonstante 8,3144 J/K* mol
• T: Temperatur
• F: Faradaykonstante 9,6485*10⁴ C/mol
• n: Anzahl der übertragenen Elektronen

Der Nernst-Faktor (R*T/n*F) gibt die theoretische Steilheit der Messkette an. Dieser Faktor ist temperaturabhängig, er variiert zwischen 54,20 mV/pH bei 0 °C und 74,04 mV/pH bei 100 °C (s. Abb. 1).

Bei realen Messketten entspricht die Steilheit nie exakt dem Nernst-Faktor. Hinzu kommt, dass auch der Nullpunkt der Messketten, besonders bei stark gealterten Messketten, temperaturabhängig ist. Erfasst man bei zwei unterschiedlichen Temperaturen die Spannung einer realen Messkette bei unterschiedlichen pH-Werten, so erhält man für jede Temperatur eine Kennlinie. Diese Kennlinien oder auch Isothermen schneiden sich im Isothermenschnittpunkt.

Dieser Schnittpunkt kann vom Nullpunkt der idealen Kennlinie merklich abweichen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Führt man die Messungen bei vielen unterschiedlichen Temperaturen durch, erhält man sogar ein Feld von Isothermenschnittpunkten.

Die Temperaturkompensation von pH-Metern berücksichtigt lediglich die Änderung der theoretischen Steilheit bei Temperaturänderungen. Kalibriert man das Messgerät bei einer bestimmten Temperatur und misst bei einer anderen Temperatur als der Kalibriertemperatur, so passt die Temperaturkompensation die Steilheit entsprechend der theoretischen Änderung des Nernst-Faktors an. Nicht ideales Verhalten der Steilheit und des Nullpunktes wird dabei nicht erfasst. Bei unkritischen Anwendungen spielt das keine große Rolle. Ist jedoch bei Messungen mit stark voneinander abweichenden Temperaturen höchste Genauigkeit gefordert, muss die Messkette für jede Messtemperatur mit Puffern gleicher Temperatur kalibriert werden.