Eine Wasserprobe besitzt einen pH-Wert von 7,2. Gleichzeitig zeigt eine Redoxelektrode beispielsweise +320 mV an. Bedeutet der positive Redoxwert, dass die Probe alkalisch ist? Oder müsste sich bei einer Änderung des pH-Werts automatisch auch das Redoxpotential in eine bestimmte Richtung verändern?
Solche Fragen entstehen häufig, weil pH und Redoxpotential mit elektrochemischen Elektroden gemessen werden und moderne Messgeräte häufig beide Größen erfassen können. Messtechnisch und chemisch handelt es sich jedoch um zwei unterschiedliche Prozessinformationen.
Der pH-Wert beschreibt den sauren beziehungsweise basischen Zustand eines wässrigen Mediums. Genauer betrachtet basiert er auf der Aktivität der Wasserstoffionen. Das Redoxpotential – häufig auch als ORP für Oxidation-Reduction Potential bezeichnet – beschreibt dagegen das elektrochemische Potential, das sich aus den vorhandenen oxidierenden und reduzierenden Systemen der Probe ergibt.
Ein Medium kann deshalb denselben pH-Wert besitzen und trotzdem völlig unterschiedliche Redoxpotentiale zeigen. Umgekehrt kann sich das Redoxpotential durch Zugabe eines Oxidations- oder Reduktionsmittels deutlich verändern, während der pH-Wert nur gering reagiert.
In vielen realen Prozessen sind beide Größen trotzdem miteinander gekoppelt. Zahlreiche Redoxreaktionen beinhalten Protonen, sodass der pH-Wert das resultierende Redoxpotential beeinflussen kann. Daraus folgt jedoch keine allgemeine Umrechnungsformel zwischen pH und ORP.
Die zentrale Aussage lautet: Der pH-Wert beantwortet die Frage nach dem Säure-Basen-Zustand einer Lösung. Das Redoxpotential beschreibt die elektrochemische Oxidations-/Reduktionstendenz des vorhandenen Systems. Erst die gemeinsame Interpretation beider Messgrößen liefert in vielen Wasser-, Umwelt- und Prozessanwendungen ein vollständigeres Bild.
Inhaltsverzeichnis
- Was misst der pH-Wert tatsächlich?
- Was beschreibt das Redoxpotential?
- pH und Redoxpotential direkt vergleichen
- Warum derselbe pH-Wert verschiedene Redoxpotentiale haben kann
- Warum pH und Redoxpotential trotzdem zusammenhängen können
- Warum pH- und Redoxelektroden unterschiedlich aufgebaut sind
- Warum die Referenzelektrode beim Redoxwert entscheidend ist
- pH kalibrieren und Redox überprüfen: wichtige Unterschiede
- Temperatur bei pH und Redox richtig berücksichtigen
- Warum die Probenbedingungen so wichtig sind
- Warum Redoxwerte häufig langsamer stabil werden
- Elektrodenverschmutzung und Alterung richtig erkennen
- Welche Prozessinformation liefert welche Messgröße?
- pH und ORP bei Oxidations- und Desinfektionsprozessen
- pH und Redox in Abwasser- und biologischen Prozessen
- Widersprüchliche Messwerte systematisch diagnostizieren
- Wann pH, wann Redox und wann beide Größen messen?
- Passende Messtechnik von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zu pH-Wert und Redoxpotential
1. Was misst der pH-Wert tatsächlich?
Der pH-Wert beschreibt den Säure-Basen-Zustand einer wässrigen Lösung. Formal ist er über die Aktivität der Wasserstoffionen definiert:
pH = −lg a(H+)
Die Aktivität ist dabei nicht vollständig identisch mit der einfachen Konzentration der Wasserstoffionen. Besonders bei höheren Ionenkonzentrationen beeinflussen Wechselwirkungen zwischen den gelösten Ionen die wirksame Aktivität.
Für die praktische Prozessmessung wird der pH-Wert üblicherweise potentiometrisch mit einer Glaselektrode und einem Referenzsystem bestimmt. Zwischen der pH-empfindlichen Glasmembran und der Referenzelektrode entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, aus der das Messgerät den pH-Wert berechnet.
Die ideale Potentialänderung einer pH-Elektrode beträgt bei 25 °C größenordnungsmäßig 59 mV je pH-Einheit. Dieser Wert verändert sich mit der Temperatur. Reale Elektroden erreichen zudem nicht dauerhaft die ideale theoretische Steilheit. Alterung, Verschmutzung, Zustand der Glasmembran und Referenzsystem beeinflussen das Verhalten.
Der pH-Wert liefert deshalb eine klar definierte Information: Er beschreibt, wie sauer oder alkalisch das Medium unter den aktuellen Bedingungen ist.
Er sagt dagegen zunächst nichts darüber aus, ob das Medium stark oxidierend oder stark reduzierend wirkt.
2. Was beschreibt das Redoxpotential?
Das Redoxpotential wird häufig mit ORP abgekürzt. Gemessen wird eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer chemisch weitgehend inerten Messelektrode und einer Referenzelektrode.
Als Messelektrode kommen beispielsweise Platin oder Gold zum Einsatz. Anders als die pH-Glasmembran soll diese Metalloberfläche nicht selektiv auf Wasserstoffionen reagieren. An ihrer Oberfläche stellt sich vielmehr ein Potential ein, das durch die in der Probe vorhandenen oxidierten und reduzierten Spezies beeinflusst wird.
Das Ergebnis wird üblicherweise in Millivolt angegeben.
Ein stärker positives Redoxpotential kennzeichnet unter vergleichbaren Messbedingungen ein stärker oxidierendes elektrochemisches Milieu. Ein niedrigeres beziehungsweise stärker negatives Potential weist auf stärker reduzierende Bedingungen hin.
Diese Aussage darf jedoch nicht mit der Konzentration eines einzelnen Stoffes verwechselt werden. Ein ORP-Wert von beispielsweise +400 mV bedeutet nicht automatisch eine bestimmte Chlor-, Sauerstoff- oder Ozonkonzentration.
Das gemessene Potential entsteht aus dem gesamten elektrochemisch wirksamen System der Probe. Sind mehrere Redoxpaare vorhanden, können sie gemeinsam das Elektrodenpotential beeinflussen.
3. pH und Redoxpotential direkt vergleichen
| Eigenschaft | pH-Wert | Redoxpotential / ORP |
|---|---|---|
| Grundinformation | Säure-Basen-Zustand | Oxidations-/Reduktionstendenz |
| Physikalische Darstellung | pH-Wert | Potential in mV |
| Typische Messelektrode | H+-empfindliche Glasmembran | Inerte Metalloberfläche, häufig Platin oder Gold |
| Referenzelektrode erforderlich | Ja | Ja |
| Typische Kalibrierung | Mehrpunktkalibrierung mit pH-Puffern | Prüfung beziehungsweise Einpunktabgleich mit Redoxstandard |
| Universelle Temperaturkompensation | Elektrodensteilheit kann temperaturkompensiert werden | Keine universelle Reaktionskompensation wie bei pH |
| Liefert Konzentration eines bestimmten Stoffes? | Nein | Nein |
Der Vergleich zeigt, warum beide Messgrößen nicht gegenseitig ersetzt werden können.
Selbst wenn ein Prozess ausschließlich mit einem einzigen pH- und einem einzigen ORP-Wert geregelt wird, erfassen beide Sensoren unterschiedliche Aspekte derselben Flüssigkeit.
4. Warum derselbe pH-Wert verschiedene Redoxpotentiale haben kann
Ein einfaches Gedankenexperiment verdeutlicht die Trennung.
Zwei Wasserproben können beide einen pH-Wert von 7 besitzen. In der ersten Probe befindet sich ein wirksames Oxidationsmittel. Die zweite Probe enthält dagegen ein reduzierendes System.
Der Säure-Basen-Zustand beider Proben kann nahezu identisch sein, während ihre Redoxpotentiale deutlich auseinanderliegen.
Genauso kann ein Prozess seine Redoxbedingungen stark verändern, ohne dass eine entsprechend große pH-Verschiebung stattfindet. Wird beispielsweise ein oxidierender Stoff dosiert, reagiert die Redoxelektrode auf das veränderte elektrochemische Gleichgewicht. Ob gleichzeitig der pH-Wert deutlich steigt oder fällt, hängt von der konkreten Prozesschemie ab.
Damit lässt sich aus einem pH-Wert allein kein Redoxpotential ableiten.
Ebenso lässt sich aus einem ORP-Wert nicht zuverlässig auf einen bestimmten pH-Wert zurückrechnen.
5. Warum pH und Redoxpotential trotzdem zusammenhängen können
Obwohl beide Messgrößen unterschiedliche Eigenschaften beschreiben, sind sie in vielen chemischen Systemen miteinander gekoppelt.
Die Ursache liegt in der jeweiligen Redoxreaktion. Allgemein kann das Potential eines Redoxsystems über die Nernst-Gleichung beschrieben werden:
E = E0 − (RT / nF) · ln Q
Enthält die betrachtete Reaktion Wasserstoffionen, gehen deren Aktivität und damit der pH-Wert in den Reaktionsquotienten Q ein. Eine Änderung des pH-Werts kann in einem solchen System deshalb auch das theoretische Gleichgewichtspotential verändern.
Wie stark dieser Einfluss ist, hängt von der konkreten Reaktionsgleichung ab. Es existiert daher keine allgemeingültige Regel wie „eine pH-Einheit entspricht immer einer bestimmten Anzahl Millivolt ORP“.
Genau dieser Punkt ist für die Prozessdiagnose wichtig. Werden pH und Redoxpotential gleichzeitig verändert, muss zunächst geklärt werden, ob beide Größen durch denselben chemischen Vorgang beeinflusst werden oder ob zwei unabhängige Prozesse ablaufen.
6. Warum pH- und Redoxelektroden unterschiedlich aufgebaut sind
Bei beiden Verfahren wird eine Potentialdifferenz gegen ein Referenzsystem gemessen. Der eigentliche Messfühler unterscheidet sich jedoch deutlich.
Die pH-Elektrode verwendet eine spezielle Glasmembran. An der hydratisierten Oberfläche dieses Glases entsteht abhängig von der Wasserstoffionenaktivität ein Potential. Die Messung erfordert einen Eingang mit sehr hoher elektrischer Impedanz, weil die Glaselektrode selbst einen hohen Innenwiderstand besitzt.
Bei der Redoxmessung wird dagegen typischerweise eine metallische Messelektrode verwendet. Platin ist für zahlreiche Wasser- und Prozessanwendungen verbreitet; in bestimmten chemischen Anwendungen können andere Elektrodenmaterialien geeigneter sein.
Die Metalloberfläche steht direkt mit den elektrochemisch aktiven Bestandteilen der Lösung in Kontakt. Ihr Zustand hat deshalb einen erheblichen Einfluss auf die Messung.
Ablagerungen, Fette, Sulfide, Biofilme oder andere Beschichtungen können den Elektronenaustausch an der Oberfläche behindern und zu trägen beziehungsweise verschobenen Redoxwerten führen.
7. Warum die Referenzelektrode beim Redoxwert entscheidend ist
Ein Elektrodenpotential kann nicht isoliert gemessen werden. Das Messgerät erfasst immer eine Potentialdifferenz gegenüber einer Referenzelektrode.
Deshalb gehört zum vollständigen Verständnis eines ORP-Wertes auch das verwendete Referenzsystem.
Je nach Referenzelektrode unterscheiden sich die gemessenen Absolutwerte um einen definierten Potentialanteil. Zwei Messergebnisse können daher nur dann unmittelbar miteinander verglichen werden, wenn sie auf dasselbe Referenzsystem bezogen sind oder korrekt auf eine gemeinsame Referenz umgerechnet wurden.
Das ist insbesondere beim Vergleich verschiedener Labore, Datenblätter oder wissenschaftlicher Veröffentlichungen wichtig.
In der täglichen betrieblichen Prozessüberwachung ist diese Problematik häufig weniger sichtbar, weil dieselbe Elektrode und dasselbe Messsystem dauerhaft verwendet werden. Sobald jedoch ein anderes System als Referenz eingesetzt wird, muss die Bezugsbasis berücksichtigt werden.
8. pH kalibrieren und Redox überprüfen: wichtige Unterschiede
Die pH-Messung wird typischerweise mit bekannten Pufferlösungen kalibriert. Aus mehreren Kalibrierpunkten kann das Messgerät insbesondere Nullpunkt beziehungsweise Asymmetrie und Steilheit der Elektrode beurteilen beziehungsweise korrigieren.
Sinnvoll sind Puffer, die den erwarteten Arbeitsbereich der Probe möglichst gut abdecken. Eine ausschließliche Kalibrierung bei pH 7 ist für eine präzise Messung weit außerhalb des neutralen Bereichs weniger aussagekräftig als eine passende Mehrpunktkalibrierung.
Bei der Redoxelektrode ist die Situation anders. Hier wird nicht wie bei einer pH-Elektrode eine Steilheit über mehrere pH-Puffer bestimmt.
In der Praxis wird die Redoxelektrode mit einer Lösung bekannten Redoxpotentials geprüft. Je nach Messgerät und Hersteller kann zusätzlich ein Einpunkt- beziehungsweise Offsetabgleich vorgenommen werden.
Eine Abweichung vom Sollwert kann auf Verschmutzung der Metalloberfläche, Probleme des Referenzsystems oder einen allgemeinen Elektrodenfehler hinweisen.
Redox-Standardlösungen besitzen dabei selbst temperaturabhängige Sollwerte. Für eine aussagekräftige Prüfung muss deshalb der zur tatsächlichen Temperatur gehörende Referenzwert verwendet werden.
9. Temperatur bei pH und Redox richtig berücksichtigen
Temperatur beeinflusst beide Messverfahren, allerdings auf unterschiedliche Weise.
Bei der pH-Elektrode ändert sich mit der Temperatur der theoretische Nernst-Anstieg. Moderne pH-Messgeräte können diesen Einfluss mit einem integrierten oder externen Temperaturfühler automatisch kompensieren.
Diese automatische Temperaturkompensation wird häufig missverstanden. Sie rechnet nicht automatisch die reale Probe auf einen hypothetischen pH-Wert bei 25 °C um.
Die chemische Gleichgewichtslage einer Probe kann sich mit der Temperatur tatsächlich verändern. Dadurch kann auch der reale pH-Wert der Flüssigkeit temperaturabhängig sein. Die ATC korrigiert primär das temperaturabhängige Ansprechverhalten des Elektroden-Messsystems.
Beim Redoxpotential gibt es keine vergleichbare allgemeine Temperaturkompensation, die für jedes Oxidations-/Reduktionssystem gültig wäre. Unterschiedliche Redoxreaktionen besitzen unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten.
Temperatur sollte deshalb bei vergleichenden ORP-Messungen möglichst mit aufgezeichnet werden. Wird eine Redox-Standardlösung zur Kontrolle verwendet, muss deren temperaturabhängiger Sollwert berücksichtigt werden.
| Temperatureffekt | pH-Messung | Redoxmessung |
|---|---|---|
| Elektrodenverhalten | Nernst-Steigung ist temperaturabhängig | Elektroden- und Referenzpotential können temperaturabhängig sein |
| Automatische Kompensation | Für das Elektrodenverhalten üblich | Keine universelle Kompensation der Probenchemie |
| Probe selbst | Der reale pH kann sich mit Temperatur ändern | Redoxgleichgewichte können sich mit Temperatur ändern |
| Standardlösung | Puffer besitzen temperaturabhängige Sollwerte | Redoxstandards besitzen temperaturabhängige Sollwerte |
10. Warum die Probenbedingungen so wichtig sind
Ein korrekt kalibriertes Messgerät garantiert noch keine repräsentative Probe.
Bei beiden Messgrößen kann sich die Flüssigkeit bereits während der Probenahme verändern.
Bei einer pH-Messung kann beispielsweise der Austausch von Kohlendioxid mit der Umgebungsluft den pH-Wert beeinflussen. Das ist insbesondere bei schwach gepufferten Wässern relevant.
Für Redoxmessungen können Luftkontakt und Sauerstoffeintrag noch deutlich kritischer sein. Eine ursprünglich reduzierende Probe kann sich nach der Entnahme durch Kontakt mit Luft zunehmend oxidieren. Der später im Labor gemessene ORP-Wert beschreibt dann nicht mehr vollständig den ursprünglichen Prozesszustand.
Auch Wartezeit, Probengefäß, Durchmischung, Temperaturänderung und Ablagerungen auf der Elektrode können das Ergebnis beeinflussen.
Für vergleichbare Messreihen sollten deshalb Probenahme und Messablauf möglichst reproduzierbar erfolgen.
11. Warum Redoxwerte häufig langsamer stabil werden
Ein ORP-Sensor reagiert nicht auf ein einzelnes Ion, sondern auf elektrochemische Reaktionen an seiner Metalloberfläche.
In einer gut definierten Redox-Standardlösung kann sich ein stabiler Wert vergleichsweise schnell einstellen. In realen Prozessmedien kann das wesentlich länger dauern.
Besonders bei Proben mit geringer Konzentration elektrochemisch aktiver Spezies kann der Potentialaufbau langsam sein. Verschiedene Redoxpaare können außerdem unterschiedlich schnell mit der Elektrodenoberfläche reagieren.
Dadurch kann ein ORP-Wert über längere Zeit wandern, obwohl das Messgerät technisch einwandfrei funktioniert.
Ein vorschnelles Ablesen ist deshalb ebenso problematisch wie die Annahme, jeder langsam stabilisierende Sensor sei automatisch defekt.
Entscheidend ist die Reproduzierbarkeit unter definierten Bedingungen und die Reaktion auf einen geeigneten Redoxstandard.
12. Elektrodenverschmutzung und Alterung richtig erkennen
pH- und Redoxelektroden besitzen unterschiedliche empfindliche Oberflächen, werden im Prozess aber häufig durch dieselben Medien belastet.
Bei der pH-Elektrode können Beläge die Glasmembran und insbesondere das Diaphragma des Referenzsystems beeinträchtigen. Die Folge sind längere Einstellzeiten, Nullpunktverschiebung, veränderte Steilheit oder instabile Messwerte.
Bei der Redoxelektrode ist der Zustand der Metalloberfläche besonders wichtig. Wird diese durch Ablagerungen bedeckt, ist der elektrochemische Austausch mit der Probe eingeschränkt.
Eine verschmutzte ORP-Elektrode kann deshalb weiterhin plausible mV-Werte anzeigen und trotzdem träge oder systematisch abweichend reagieren.
Die Reinigung sollte immer zum Elektrodenmaterial und zur Art der Verschmutzung passen. Aggressive mechanische Bearbeitung ist nicht pauschal empfehlenswert, da unterschiedliche Hersteller und Elektrodenmaterialien unterschiedliche Reinigungsverfahren vorsehen.
Nach der Reinigung sollte die Elektrode erneut mit einem geeigneten Standard beziehungsweise bei pH mit geeigneten Puffern überprüft werden.
13. Welche Prozessinformation liefert welche Messgröße?
Ob pH, ORP oder beide Werte benötigt werden, hängt von der eigentlichen Prozessfrage ab.
Soll beispielsweise beurteilt werden, ob eine Säure- oder Laugedosierung den vorgesehenen neutralen Bereich erreicht, ist pH die zentrale Messgröße.
Soll dagegen beobachtet werden, ob sich ein Prozess von oxidierenden zu reduzierenden Bedingungen verschiebt, liefert das Redoxpotential die relevantere Information.
In zahlreichen Anwendungen sind beide Größen sinnvoll. Der pH-Wert definiert dann die chemischen Randbedingungen, während ORP zeigt, wie sich innerhalb dieser Randbedingungen das Redoxsystem verhält.
Gerade für Diagnoseaufgaben ist diese Kombination deutlich aussagekräftiger als der Versuch, aus einer einzigen Messgröße alle chemischen Veränderungen abzuleiten.
14. pH und ORP bei Oxidations- und Desinfektionsprozessen
Bei oxidativen Wasserbehandlungen kann das Redoxpotential eine wertvolle Prozessgröße sein. Gibt ein Oxidationsmittel Elektronen aufnehmende Spezies in das Wasser, verändert sich das elektrochemische Milieu und damit häufig der ORP-Wert.
Der ORP-Wert darf jedoch nicht als direkter Ersatz für eine Konzentrationsmessung des eingesetzten Oxidationsmittels betrachtet werden.
Besonders deutlich wird dies bei Prozessen, deren wirksame chemische Spezies vom pH-Wert abhängen. Eine Änderung des pH-Werts kann die Gleichgewichtsverteilung innerhalb des chemischen Systems verändern und damit auch das Redoxpotential beeinflussen, obwohl die Gesamtkonzentration eines zugegebenen Stoffes unverändert bleibt.
Für Prozessführung und Dokumentation kann es deshalb sinnvoll sein, pH, ORP und gegebenenfalls die Konzentration des relevanten Stoffes getrennt zu erfassen.
Ein einzelner positiver ORP-Wert ist kein universeller Nachweis für eine ausreichende Desinfektionswirkung.
15. pH und Redox in Abwasser- und biologischen Prozessen
Auch in biologischen und abwassertechnischen Prozessen ergänzen sich die beiden Messgrößen.
Der pH-Wert zeigt, ob das biologische System in einem für die beteiligten Mikroorganismen geeigneten Säure-Basen-Bereich arbeitet. Starke pH-Abweichungen können biologische Prozesse unmittelbar beeinträchtigen.
Das Redoxpotential liefert dagegen Informationen über die oxidierenden beziehungsweise reduzierenden Bedingungen im Medium.
Bei wechselnden Prozessphasen kann sich deshalb das ORP deutlich verändern, während der pH-Wert vergleichsweise stabil bleibt. In anderen Situationen beeinflussen biologische Reaktionen wiederum beide Größen.
Eine zuverlässige Interpretation basiert deshalb nicht auf einem universellen ORP-Grenzwert, sondern auf Prozesswissen, Trendverlauf und den übrigen Betriebsparametern der jeweiligen Anlage.
16. Widersprüchliche Messwerte systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Erklärung | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| pH bleibt konstant, ORP verändert sich stark | Änderung der oxidierenden bzw. reduzierenden Spezies | Prozesschemie, Dosierung und Probenbedingungen prüfen |
| ORP bleibt nahezu konstant, pH verändert sich | Säure-/Basenänderung ohne entsprechend starke Änderung des dominierenden Redoxsystems | pH-Kalibrierung und Prozessdosierung prüfen |
| Beide Messwerte driften langsam | Temperaturänderung, Probenänderung oder verschmutzte Elektroden | Temperatur, Elektrodenzustand und Referenzsystem kontrollieren |
| pH ist in Puffern korrekt, Prozesswert aber instabil | Probenmatrix, geringe Leitfähigkeit oder Referenzproblem | Probe und Elektrodenverhalten unter realen Bedingungen untersuchen |
| ORP-Standard ist korrekt, Prozesswert stabilisiert sehr langsam | Schwach gepuffertes beziehungsweise kinetisch langsames Redoxsystem | Längere Einstellzeit und reproduzierbare Messbedingungen prüfen |
| ORP zeigt nach Reinigung deutlich anderen Wert | Metalloberfläche war belegt oder passiviert | Standardprüfung wiederholen und Reinigungsintervall bewerten |
| Zwei ORP-Geräte zeigen unterschiedliche Absolutwerte | Unterschiedliches Referenzsystem oder Elektrodenzustand | Referenzelektrode und Bezugsbasis vergleichen |
17. Wann pH, wann Redox und wann beide Größen messen?
Wenn die zentrale Prozessfrage lautet, ob ein Medium sauer, neutral oder alkalisch ist, sollte der pH-Wert gemessen werden.
Wenn dagegen die oxidierenden beziehungsweise reduzierenden Bedingungen eines Prozesses beobachtet werden sollen, ist eine ORP-Messung sinnvoll.
Viele Anwendungen profitieren von beiden Größen gleichzeitig. Das gilt insbesondere dann, wenn die relevanten Redoxreaktionen selbst pH-abhängig sind.
Für die Geräteauswahl sollte zusätzlich berücksichtigt werden, ob nur Stichproben oder längere Messreihen aufgenommen werden sollen. Im mobilen Service kann ein robustes Handgerät ausreichend sein. Für Prozessoptimierung und Versuchsreihen sind Datenloggerfunktion und Temperaturaufzeichnung wesentlich hilfreicher.
Ebenso entscheidend ist die Elektrode. Ein Messgerät mit mV-Eingang wird erst mit einer für das Medium geeigneten Redoxelektrode zu einem brauchbaren ORP-Messsystem.
18. Passende Messtechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet verschiedene Geräte für pH-, mV-, Leitfähigkeits- und Sauerstoffmessungen. Eine Übersicht finden Sie unter pH / Leitfähigkeit / Sauerstoff / Messgeräte.
ProfiLine pH 3310
Das ProfiLine pH 3310 ist ein professionelles tragbares pH/mV-Messgerät mit Datenlogger und USB-Schnittstelle.
Für die pH-Messung unterstützt es eine Mehrpunktkalibrierung mit verschiedenen Puffersätzen. Zusätzlich besitzt das Gerät einen mV-Messbereich und kann mit einer geeigneten Redoxelektrode für ORP-Messaufgaben verwendet werden.
Der integrierte Datenlogger ist besonders interessant, wenn nicht nur ein einzelner Messwert, sondern der zeitliche Verlauf von pH beziehungsweise Redoxpotential dokumentiert werden soll.
ProfiLine pH 3110
Das ProfiLine pH 3110 ist eine einfachere und robuste Ausführung für mobile Routineanwendungen.
Auch dieses Gerät erfasst pH, mV und Temperatur. Damit kann es – in Kombination mit der jeweils geeigneten Elektrode – sowohl für klassische pH-Messungen als auch für Redoxmessungen eingesetzt werden.
Für regelmäßige pH-Messungen stehen eine Mehrpunktkalibrierung und ein integrierter Kalibriertimer zur Verfügung.
Passende Elektroden und Standards
Für eine vollständige Messstelle muss das Handgerät mit der geeigneten Elektrode kombiniert werden. Für pH ist eine zum Medium passende Glaselektrode erforderlich. Für ORP wird eine geeignete Metall-/Referenzelektrode benötigt.
Bei der Auswahl sind neben dem eigentlichen Messbereich insbesondere Temperatur, chemische Belastung, Probenart, notwendige mechanische Robustheit und das Referenzsystem zu berücksichtigen.
Für die Funktionskontrolle einer Redoxelektrode sollte außerdem ein geeigneter ORP-Standard verwendet werden. Dessen Sollwert muss zur tatsächlichen Temperatur und zum verwendeten Referenzsystem passen.
Weiterführende Fachbeiträge
Die Beurteilung einer pH-Elektrode anhand von Nullpunkt, Steilheit und Kalibrierdaten behandeln wir ausführlich im Fachbeitrag „pH-Elektrode beurteilen: Steilheit, Nullpunkt und Alterung aus der Kalibrierung erkennen“.
Für Medien mit sehr geringer Leitfähigkeit ist zusätzlich der Beitrag „pH-Messung in Reinstwasser: geringe Leitfähigkeit und instabile Messwerte richtig beherrschen“ relevant.
19. Fazit
pH-Wert und Redoxpotential sind zwei elektrochemische Messgrößen, die häufig gemeinsam auftreten, aber unterschiedliche Prozessinformationen liefern.
Der pH-Wert beschreibt die Wasserstoffionenaktivität und damit den Säure-Basen-Zustand einer Flüssigkeit. Das Redoxpotential beschreibt dagegen das Elektrodenpotential des vorhandenen Oxidations-/Reduktionssystems gegenüber einer Referenzelektrode.
Ein hoher positiver ORP-Wert bedeutet deshalb nicht „hoher pH“, genauso wenig wie ein niedriger pH-Wert automatisch ein bestimmtes Redoxpotential vorgibt.
Beide Größen können jedoch chemisch gekoppelt sein. Enthält die relevante Redoxreaktion Wasserstoffionen, verändert eine pH-Verschiebung auch die Gleichgewichtsbedingungen des Redoxsystems.
Für die Messpraxis unterscheiden sich außerdem Kalibrierung und Temperaturbehandlung. pH-Elektroden werden mit bekannten Puffern mehrpunktkalibriert. Redoxelektroden werden typischerweise mit einem Redoxstandard überprüft und – sofern das verwendete Messgerät dies vorsieht – über einen Einpunkt- beziehungsweise Offsetabgleich angepasst.
Die automatische Temperaturkompensation der pH-Messung korrigiert das temperaturabhängige Elektrodenverhalten. Sie rechnet die reale Probe jedoch nicht automatisch auf einen chemischen pH-Wert bei 25 °C um.
Für ORP existiert keine allgemeingültige vergleichbare Temperaturkorrektur, weil die Temperaturabhängigkeit von den konkret beteiligten Redoxreaktionen abhängt.
Ebenso wichtig wie die Elektronik sind Probenahme und Sensorzustand. Luftkontakt, Temperaturänderung, Biofilm, Verschmutzung der Metalloberfläche oder Probleme am Referenzsystem können insbesondere Redoxmessungen deutlich verändern.
Für eine belastbare Prozessbewertung gilt deshalb:
pH beschreibt den Säure-Basen-Zustand – ORP beschreibt das Redoxmilieu. Keine der beiden Messgrößen ersetzt automatisch die andere.
Wer beide Werte gemeinsam und unter reproduzierbaren Bedingungen erfasst, erhält in vielen Wasser-, Umwelt- und Prozessanwendungen wesentlich mehr Information als aus einer einzelnen Zahl.
20. Häufige Fragen zu pH-Wert und Redoxpotential
Ist Redoxpotential dasselbe wie pH?
Nein. Der pH-Wert beschreibt die Wasserstoffionenaktivität beziehungsweise den Säure-Basen-Zustand. Das Redoxpotential beschreibt dagegen die elektrochemische Oxidations-/Reduktionstendenz einer Probe gegenüber einer Referenzelektrode.
In welcher Einheit wird das Redoxpotential angegeben?
Das Redoxpotential wird üblicherweise in Millivolt angegeben. Für eine vollständige Interpretation sollte bekannt sein, auf welches Referenzelektrodensystem sich der Wert bezieht.
Hat der pH-Wert eine Einheit?
Der pH-Wert ist eine logarithmische Größe, die auf der Aktivität der Wasserstoffionen basiert. Er wird üblicherweise als pH-Wert ohne physikalische Einheit angegeben.
Bedeutet ein positives Redoxpotential, dass die Lösung alkalisch ist?
Nein. Ein positives ORP zeigt unter vergleichbaren Bedingungen ein stärker oxidierendes elektrochemisches Milieu an. Ob die Lösung sauer oder alkalisch ist, wird durch den pH-Wert beschrieben.
Kann eine neutrale Lösung ein hohes Redoxpotential besitzen?
Ja. Zwei Proben mit demselben pH-Wert können aufgrund unterschiedlicher oxidierender und reduzierender Inhaltsstoffe sehr unterschiedliche Redoxpotentiale besitzen.
Kann sich das Redoxpotential ändern, obwohl der pH-Wert konstant bleibt?
Ja. Verändert sich beispielsweise das Verhältnis oxidierter und reduzierter Spezies, kann sich ORP deutlich verschieben, ohne dass gleichzeitig eine große pH-Änderung auftreten muss.
Beeinflusst der pH-Wert das Redoxpotential?
Bei vielen Redoxreaktionen ja. Wenn Wasserstoffionen an der Reaktion beteiligt sind, ist das Gleichgewichtspotential pH-abhängig. Die Stärke dieses Einflusses hängt jedoch von der konkreten Reaktion ab.
Kann ich den ORP-Wert aus dem pH-Wert berechnen?
Nicht allgemein. Dafür müsste das konkrete Redoxsystem mit den beteiligten Spezies, Aktivitäten und Reaktionsgleichungen bekannt sein. Aus dem pH-Wert allein lässt sich kein eindeutiger ORP-Wert bestimmen.
Misst ORP direkt die Konzentration eines Oxidationsmittels?
Nein. ORP ist eine Potentialmessung. Mehrere chemische Spezies und die jeweiligen Reaktionsgleichgewichte können den Wert gleichzeitig beeinflussen. Für eine quantitative Konzentrationsbestimmung eines bestimmten Stoffes ist gegebenenfalls eine separate Analysenmethode erforderlich.
Wie wird eine pH-Elektrode kalibriert?
Üblicherweise werden bekannte Pufferlösungen verwendet. Für präzise Messungen ist eine Mehrpunktkalibrierung sinnvoll, die den erwarteten Arbeitsbereich der Probe möglichst gut abdeckt.
Wie wird eine Redoxelektrode kalibriert?
Im Gegensatz zur klassischen pH-Mehrpunktkalibrierung wird eine Redoxelektrode typischerweise mit einer Lösung bekannten Redoxpotentials überprüft. Je nach Messgerät kann zusätzlich ein Einpunkt- beziehungsweise Offsetabgleich durchgeführt werden.
Warum muss bei einem Redoxstandard die Temperatur beachtet werden?
Der Sollwert einer Redox-Standardlösung ist temperaturabhängig. Für die Beurteilung der Elektrode muss deshalb der zur tatsächlichen Temperatur gehörende Referenzwert verwendet werden.
Was macht die automatische Temperaturkompensation bei pH?
Sie berücksichtigt primär die temperaturabhängige Steilheit des elektrochemischen Messsystems. Sie korrigiert nicht automatisch die tatsächliche chemische Temperaturabhängigkeit der Probe auf einen Standardwert bei 25 °C.
Gibt es eine automatische Temperaturkompensation für ORP?
Es gibt keine universelle Temperaturkorrektur, die jedes Redoxsystem auf einen gemeinsamen Referenzzustand umrechnen kann. Temperatur sollte deshalb dokumentiert und bei der Interpretation des konkreten chemischen Systems berücksichtigt werden.
Warum reagiert meine Redoxelektrode so langsam?
Mögliche Ursachen sind eine verschmutzte Metalloberfläche, ein problematisches Referenzsystem oder eine Probe mit langsamer elektrochemischer Gleichgewichtseinstellung. Eine Prüfung mit geeignetem Redoxstandard hilft, Sensor- und Probenprobleme voneinander zu unterscheiden.
Warum verändert sich der ORP-Wert nach der Probenahme?
Kontakt mit Luft kann die Zusammensetzung und damit das Redoxgleichgewicht der Probe verändern. Besonders reduzierende beziehungsweise sauerstoffarme Proben sollten deshalb möglichst unter reproduzierbaren Bedingungen und ohne unnötige Verzögerung gemessen werden.
Warum kann sich auch der pH-Wert einer entnommenen Probe verändern?
Unter anderem können Temperaturänderungen und der Austausch von Kohlendioxid mit der Umgebungsluft den pH-Wert verändern. Dieser Einfluss ist besonders bei schwach gepufferten Medien relevant.
Welches Elektrodenmaterial wird für Redoxmessungen eingesetzt?
Häufig wird Platin verwendet. Je nach Medium und Redoxchemie können auch andere Materialien wie Gold sinnvoll sein. Das Elektrodenmaterial muss zur konkreten Anwendung passen.
Kann ich mit demselben Messgerät pH und ORP messen?
Viele pH/mV-Messgeräte unterstützen beide Messaufgaben. Dafür wird jedoch jeweils die passende Elektrode benötigt. Ein pH-Messgerät mit mV-Eingang wird nicht allein durch die Umschaltung der Anzeige zu einer vollständigen Redoxmessstelle.
Wann sollte ich pH und ORP gleichzeitig messen?
Das ist besonders sinnvoll, wenn sowohl Säure-Basen-Bedingungen als auch oxidierende beziehungsweise reduzierende Prozesszustände relevant sind oder wenn die beteiligten Redoxreaktionen selbst vom pH-Wert abhängen.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines geeigneten Messsystems?
Hilfreich sind Medium und Prozess, erwarteter pH- und ORP-Bereich, Temperatur, Leitfähigkeit beziehungsweise Salzgehalt, Art der Probenahme, mobile oder stationäre Messung, erforderliche Dokumentation, gewünschte Datenloggerfunktion, chemische Belastung der Elektrode sowie Informationen dazu, ob pH, Redox oder beide Messgrößen erfasst werden sollen.