pH-Wert-Messung: Anwendung verschiedener Indikatoren

Die pH-Wert-Messung nimmt eine zentrale Rolle in allen Bereichen der Chemie, Technik und Biochemie ein. Auch in der Lebensmittelproduktion wird mit verschiedenen Indikatoren zur Messung gearbeitet.

pH-Wert-Messung: Schnelle Ergebnisse garantiert

Verschiedene chemische Vorgänge werden durch den pH-Wert beeinflusst, daher ist die Kenntnis über den jeweiligen Wert unverzichtbar. Dabei geht es um weitaus mehr als nur um die Bestimmung von Säuren und Basen sowie deren Ionenkonzentration. Zur Messung wird ein pH-Meter verwendet oder es kommen Schnelltests zum Einsatz.

Letztere haben den Vorteil, dass die pH-Wert-Messung direkt vor Ort durchgeführt werden kann und dass keine weiteren Hilfsmittel dafür nötig sind. Schnelltests sind relativ genau und runden das Ergebnis auf volle pH-Einheiten oder auf Zehntel. Dennoch arbeiten diese Tests freilich nicht so präzise wie ein pH-Meter, das beispielsweise die Einflüsse der Temperatur berücksichtigt und kompensiert.

Um Fehler zu vermeiden, können inzwischen pH-Teststäbchen auf einer Zahlenskala abgelesen werden, was exaktere Werte bringt. Der Grund: Visuelle Abweichungen und Zuordnungsprobleme werden vermieden.

Wichtig: Der pH-Wert kann sich durch biologische oder chemische Prozesse rasch verändern, es handelt sich demzufolge nicht um einen fixen Wert. Das wiederum bedingt, dass der Zeitpunkt der pH-Messung ebenso zu notieren ist wie der Ort der Probenentnahme (wenn nicht im Labor). Außerdem sollte die Temperatur notiert werden, bei der die Probe entnommen wurde bzw. die die Probe selbst aufweist.

Daran wird bereits erkennbar, dass elektrische Messgeräte deutlich einfacher anzuwenden sind, weniger Aufwand bedeuten und vor allem exaktere Ergebnisse liefern. Dennoch: Die Grundlagen zur pH-Wert-Messung sind immer gleich und mit der nötigen Fachkenntnis lassen sich auch mit Schnelltests akzeptable und auswertbare Ergebnisse erreichen.

Video: Indikatorpapier

Papier, Stäbchen oder Lösung: Was ist zur pH-Wert-Messung zu empfehlen?

Die folgende Übersicht über die verschiedenen pH-Indikatoren zeigt, wann welcher Indikator eingesetzt werden kann:

• pH-Indikatorpapier
  • eine Messungen in schwach gepufferten Lösungen möglich
  • häufige Fehlmessungen bei Vorhandensein von Eiweiß oder quaternären Ammoniumsalzen
  • keine Messungen in schwach gefärbten Lösungen möglich
  • Probelösung muss mindestens in µl vorliegen
  • Probe wird durch Indikatorfarbstoffe kontaminiert
• pH-Indikatorstäbchen
  • essungen in schwach gepufferten Lösungen sind möglich, wenn eine längere Verweilzeit von 5 bis 15 Minuten eingehalten wird
  • problemlose Messungen bei Vorhandensein von Eiweißen oder quaternären Ammoniumsalzen möglich
  • Messungen in schwach gefärbten Lösungen sind eingeschränkt möglich
  • Probenlösung muss mindestens in µl vorliegen
  • keine Kontamination durch Indikatorfarbstoffe
• pH-Indikatorlösungen
  • roblemlose Messungen in schwach gepufferten Lösungen möglich
  • möglicherweise Fehler bei Vorhandensein von Eiweißen oder quaternären Ammoniumsalzen
  • Messungen in schwach gefärbten Lösungen nach Entfärben möglich
  • Probenlösung muss mindestens in ml vorliegen
  • Kontamination der Proben durch Indikatorfarbstoffe

Der Indikator in Papierform wird bereits seit vielen Jahrhunderten benutzt und dürfte den meisten noch aus den früheren Schulzeiten bekannt sein. pH-Indikatoren, die in Rollenform verpackt sind, sind gegenüber äußeren Einflüssen unempfindlicher und reagieren nicht bereits im Vorfeld mit Feuchtigkeit, Licht oder Gasen.

Die Papiere bestehen aus einem Indikator– oder Indikatorgemisch bzw. aus Papier, das mit einer Indikatorlösung getränkt wurde. Diese Lösung trocknet dann ein, das Papier wird geschnitten und in der benötigten Konfektionsform verpackt.

Die Anwendung der Indikatorpapiere zur pH-Wert-Messung ist einfach: Je nach benötigter Menge Indikatorpapier abreißen und rund eine Sekunde lang in die Probenlösung tauchen. Danach mit der Farbskala vergleichen und Wert ablesen.

Auch Indikatorstäbchen setzen auf spezielle Farbstoffe, die an die Zellulose des Papiers gebunden werden. Der Vorteil ist hier, dass der Indikator nicht ausblutet und damit keine Kontamination der Probe zu befürchten ist.

Die Teststäbchen können beliebig lange in der Testlösung verbleiben und können, wenn sie ausreichend lange in der Probe sind, auch bei schwach gepufferten Lösungen eine große Genauigkeit erreichen. Sie haben gerade bei kleinen Mengen hier einen Vorteil gegenüber dem pH-Meter, das mittels Elektroden den pH-Wert misst.

Kleinstproben können oft nicht gepuffert werden, weil die Messgenauigkeit dann nicht mehr gegeben wäre. Für Proben mit besonders kleinen Volumina sind daher spezielle Elektroden, sogenannte Mikroelektroden nötig, um die pH-Messung durchführen zu können.

Auch bei Indikatorstäbchen ist die Anwendung denkbar einfach: Stäbchen der Packung entnehmen und in die Probenlösung tauchen, nach der entsprechenden Wartezeit, die zwischen einer Sekunde und zehn Minuten liegt, kann die überschüssige Flüssigkeit vom Stäbchen abgeschüttelt werden. Danach folgen der Vergleich mit der Farbskala und die Zuordnung zu einem pH-Wert.

Um flüssige pH-Indikatoren einzusetzen, sollte die Testlösung möglichst klar und farblos sein. Um eine leichte Eigenfärbung der Probe zu kompensieren, kann vor der Berechnung des pH-Wertes ein Schiebekomparator eingesetzt werden. Stark trübe und gefärbte Lösungen müssen in der Regel zuerst gefiltert oder mit Aktivkohle behandelt werden. Für eine möglichst hohe Messgenauigkeit ist die Reinheit der Probe wichtig.

Die Vorteil der Messung mit flüssigen Indikatoren liegen auf der Hand: Es ist keine Wartezeit nötig, daher sind die Messzeiten kurz. Sogar bei schwach gepufferten Lösungen ist die Messgenauigkeit hoch, der pH-Wert kann einfach zugeordnet werden, da die Farbabstufungen eindeutig sind. Zudem können flüssige Testlösungen bis zu zwei Jahre aufbewahrt werden, wobei die ideale Lagerungstemperatur zwischen 10 und 25 °C liegt.

Die Anwendung des Flüssigindikators ist einfach: Vorgeschriebene Menge der Probe in ein Prüfgefäß füllen, vorgegebene Tropfenzahl des Indikators hinzugeben und Reaktionsfärbung vergleichen.

 

Einsatz von H-Indikatoren zur pH-Wert-Messung

Die pH-Wert-Messung ist auch mit H-Indikatoren möglich, die als Basisprodukte für die Anwendung im Labor gelten. Trotz zahlreicher Neuerungen haben H-Indikatoren ihre Bedeutung zur Bestimmung von Säuren und Basen in der Titration behalten, denn dieser Indikator misst nicht den aktuellen pH-Wert, sondern nimmt eine quantitative Bestimmung des Gehalts an Säuren oder Basen in der Probenlösung vor.

Im Äquivalenzpunkt wird bei der Bestimmung eine andere Farbe als vor dem Äquivalenzpunkt gezeigt, sodass das Ende einer Titration optisch erkennbar wird. Dabei fällt der Äquivalenzpunkt nicht immer mit dem Neutralpunkt zusammen, der bei pH 7 liegt, sondern kann auch weiter im alkalischen oder im sauren Bereich liegen.

Für die Titration muss daher ein Indikator ausgewählt werden, der einen gleichen oder ähnlichen Umschlagpunkt wie das zu titrierende System aufweist. Starke Basen sind zur Titration schwacher Säuren nutzbar, wenn pH-Indikatoren verwendet werden, die schon im schwach alkalischen Bereich umschlagen.

Eine schwache Base hingegen wird mit einer starken Säure titriert, es wird ein Indikator verwendet, der im schwach sauren Bereich umschlägt.

Video: Den pH-Wert richtig messen

Häufige Fehlerquellen bei der pH-Wert-Messung

Die pH-Wert-Messung ist durchaus fehleranfällig, die Berechnung des pH-Wertes ist daher nicht immer korrekt.

Vor allem die folgenden Fehler treten besonders häufig auf und sind auch dann zu beobachten, wenn natürliche Indikatorstoffe genutzt werden:

• Salzfehler
  Der Fehler hängt an der Konzentration und der Art der Neutralsalze, die in der Probenflüssigkeit vorhanden sind. Das Indikatorgleichwicht wird durch Anwesenheit dieser Salze nachhaltig verschoben und es können Abweichungen in der pH-Wert-Messung auftreten. Korrekturen sind nicht nötig, sollte die Konzentration an Salzen unter zwei Mol je Liter liegen. Der Salzfehler kann bei jedem pH-Indikator auftreten, zeigt sich jedoch in immer verschiedenem Ausmaß. Dieses ist von der Ladung und der Struktur des Indikators abhängig. Werden Sulfophtalein-Indikatoren eingesetzt, ist der Salzfehler in der Regel sehr groß, denn die Indikator-Ionen tragen in ihrer alkalischen Form zwei negative Ladungen. Liegt jedoch nur eine kleine oder mittlere Ionenstärke des Indikators vor und weisen die Ionen eine dipolare Struktur auf, ist der Salzfehler zu vernachlässigen. Das dipolare Ion verhält sich wie ein Neutralmolekül.
• Indikatorfehler
  Säuren und Basen sind der Grund für den Indikatorfehler, der nur bei wenig gepufferten Probenlösungen auftritt. Ist der Pufferwert in der Lösung, die vermessen werden soll, gering, können im ungünstigen Fall Abweichungen von bis zu einer pH-Einheit auftreten. Das ist beispielsweise bei Trinkwasser möglich, auch bei verdünnten Neutralsalzlösungen oder bei destilliertem Wasser zeigen sich diese Abweichungen. Um den Fehler zu vermeiden, sollte bei der pH-Wert-Messung das Indikatorsalz verwendet werden und nicht die freie Indikatorsäure oder Indikatorbase. Außerdem ist die Anwendung eines flüssigen Indikators sinnvoller als die Nutzung von Indikatorpapier. Der Grund: Die Konzentration des Indikators ist auf dem Papier zu hoch, das Gleichgewicht braucht zu lange, um sich einzustellen.
• Eiweißfehler
  Werden Indikatorfarbstoffe gebunden, binden die Proteine einer Probenlösung die Indikatorsäuren. Ein Problem stellen dabei auch kolloidale Lösungen vor, die Adsorptionseffekte mit sich bringen und die pH-Wert-Messung stören können. Wie stark der Eiweißfehler auftritt, hängt unter anderem von der Art und der Menge des Eiweißes ab. Außerdem: Je einfacher die Struktur des Indikators ist, desto weniger Störungen treten bei der pH-Wert-Messung auf. Wichtig ist, keine farbausblutenden Indikatorstäbchen zu verwenden, denn diese zeigen keinen Eiweißfehler. Nicht blutende Stäbchen werden daher vor allem in der Untersuchung von Körperflüssigkeiten eingesetzt. Diese müssen jedoch über das CE-Prüfzeichen verfügen und für die in-vitro-Diagnostik freigegeben sein.
• Alkaloidfehler
  Dieser Fehler zeigt sich ähnlich wie der Eiweißfehler und entsteht durch die Bildung von Anlagerungsverbindungen.
• Alkoholfehler
  Dieser Fehler tritt in Probenlösungen auf, die ein organisches Lösungsmittel enthalten. In den meisten Fällen ist dieses Lösungsmittel Alkohol. Wird ein wässriges System geändert, weil ein organisches Lösungsmittel zugegeben wird, ändern sich die Dissoziationskonstanten, weil die Lösung niedrige Konstanten aufweist. Damit wird das Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen verschoben. Die Zugabe eines 10-prozentigen Ethanols verändert den pH-Wert um rund ein Zehntel. Steigt der Alkoholgehalt aber an, so kann die Verschiebung bei 70-prozentigem Ethanol schon 1,5 Einheiten betragen. Werden andere Lösungsmittel als Alkohol verwendet, treten gänzlich neue Effekte auf.
• Temperaturfehler
  Die Temperatur ist maßgeblich an einer korrekten pH-Wert-Messung beteiligt. Der Temperaturfehler macht sich aber erst dann bemerkbar, wenn die pH-Messung in warmen oder sogar in heißen Probenlösungen durchgeführt wird. Indikatorpapiere und nicht blutende Teststäbchen sind auf 20 °C optimiert worden. Die Messung mithilfe von Elektroden und pH-Sensoren ist hier die bessere Variante, denn dabei wird der Einfluss der Temperatur direkt wieder ausgeglichen, weil eine entsprechende Kompensation vorgenommen wird.

---

Bildnachweis:©Shutterstock-Titelbild: Lothar Drechsel-#01: Rabbitmindphoto_-#02: Rabbitmindphoto_