Leitfähigkeitsmessung im Labor - Theorie und Praxis

Die elektrische Leitfähigkeit wird in der Praxis schon seit über 100 Jahren gemessen und ist auch heute noch ein wichtiger und häufig verwendeter Analyseparameter. Dank der äußerst zuverlässigen, empfindlichen, schnell reagierenden und relativ kostengünstigen Messgeräte ist die Leitfähigkeit eine wertvolle, einfach zu handhabende und praktische Größe für die Qualitätskontrolle. Die elektrische Leitfähigkeit ist ein nicht spezifischer Summenparameter für alle gelösten Ionenspezies (Salze, Säuren, Basen und einige organische Substanzen) in einer Lösung. Das heißt, dass es mit dieser Technik nicht möglich ist, zwischen den verschiedenen Ionenarten zu unterscheiden. Der Messwert ist proportional zu dem kombinierten Effekt aller Ionen in der Probe. Aus diesem Grund sind Leitfähigkeitsmessgeräte wichtige Instrumente, um die unterschiedlichsten Arten von Wasser (Reinwasser, Trinkwasser, natürliches Wasser, Prozesswasser usw.) sowie andere Lösemittel zu überwachen. Mithilfe von Leitfähigkeitsmessungen wird auch die Konzentration leitfähiger Chemikalien gemessen.

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2.1 Elektrische Leitfähigkeit – Grundlagen

Elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten. Der Begriff Leitfähigkeit kann auch in anderem Zusammenhang eingesetzt werden (z. B. Wärmeleitfähigkeit). Aus Gründen der Einfachheit wird der Begriff „Leitfähigkeit“ in diesem Leitfaden immer im Sinne der elektrischen Leitfähigkeit verwendet.

Die Leitung von Elektrizität durch Materie erfordert das Vorhandensein geladener Teilchen. Leiter lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen, je nach Art des geladenen Teilchens. Die Leiter der ersten Gruppe bestehen aus einem Gitter von Atomen mit einer Außenschale von Elektronen. Die Elektronen in dieser Elektronenwolke können sich von ihrem Atom lösen und Elektrizität durch das Gitter und somit auch durch
das Material transportieren. Metalle, Graphit und einige andere chemische Verbindungen gehören in diese Gruppe.

Die Leiter der zweiten Gruppe sind die sogenannten Ionenleiter. Im Gegensatz zu den Leitern der ersten Gruppe wird der Stromfluss nicht durch frei bewegliche Elektronen, sondern durch Ionen ermöglicht. Aus diesem Grund ist die Ladungsübertragung in Elektrolyten immer mit dem Transport von Masse verbunden. Die Leiter der zweiten Gruppe bestehen aus elektrisch geladenen und beweglichen Ionen und werden als Elektrolyte bezeichnet. Es findet eine Ionisierung statt.

2.2 Definition von Leitfähigkeit


Entsprechend dem ohmschen Gesetz (1) ist die Spannung (V) in einer Lösung proportional zu dem fließenden Strom (I):

R = Widerstand (Ohm, Ω)

V = Spannung (Volt, V)

I = Strom (Ampere, A)

Der Widerstand (R) ist eine Konstante der Proportionalität und kann aus dem gemessenen Stromfluss errechnet werden, wenn eine bekannte Spannung angelegt wird:

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2.1 Elektrische Leitfähigkeit – Grundlagen

2.2 Definition der Leitfähigkeit

2.3  Leitfähigkeit von Lösungen

2.3.1 Gelöste Ionen

2.3.2 Selbstionisierung von Wasser

2.4 Messprinzip

2.5 Leitfähigkeitssensor

2.5.1  Zweipolige Leitfähigkeits-Messzelle

2.5.2 Vierpolige Leitfähigkeits-Messzelle

2.5.3 Material

2.5.4 Auswahl des richtigen Sensors

2.6  Temperatureffekte

2.6.1 Lineare Temperaturkorrektur

2.6.2 Nicht lineare Korrektur

2.6.3 Wasseraufbereitung

2.6.4 Keine Effekte

2.7 Negative Beeinflussung der Leitfähigkeitsmessung

2.7.1 Lösung gasförmiger Substanzen

2.7.2 Luftblasen

2.7.3 Beschichtung der Elektrodenoberfläche

2.7.4 Geometrieabhängige Fehler – Feldeffekte

Die Leitfähigkeit wird in den unterschiedlichsten Anwendungen gemessen. Der zweite Teil dieses Leitfadens bietet umfassendes Know-how für zahlreiche Anwendungen. Zuerst wird eine allgemeine Vorgehensweise für die Kalibrierung, Überprüfung und Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen beschrieben und der Sonderfall von Messungen geringer Leitfähigkeitswerte erläutert. Des Weiteren wird die Wartung und Lagerung von Leitfähigkeitssensoren diskutiert. In den folgenden Kapiteln werden die wichtigsten Anwendungen ausführlich beschrieben.

Alle Leitfähigkeitsmessgeräte von METTLER TOLEDO bieten neben dem Modus für Leitfähigkeitsmessungen weitere Messmodi. Tabelle 7 enthält eine Übersicht über Messmodi, die die unterschiedlichen Messgeräte unterstützen. In Abschnitt 3.6 sind die Messverfahren für TDS, Salzgehalt, Leitfähigkeitsasche und Bioethanol ausführlich beschrieben.

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3.1 Kalibrierung und Verifizierung

3.2 Tipps für den Umgang mit Standardlösungen

3.3 Messung

3.4 Messung niedriger Leitfähigkeitswerte

3.5 Wartung und Lagerung

3.6 Spezielle Anwendungen

3.6.1 TDS

3.6.2 Konzentrationsbestimmungen

3.6.3 Salzgehalt

3.6.4 Reinstwasser

3.6.5 Spezifischer Widerstand

3.6.6 Leitfähigkeitsasche

3.6.7 Bioethanol

Auswahl des richtigen Sensors

Die folgenden drei Kriterien helfen Ihnen, den richtigen Sensor auszuwählen.

1. Chemische Stabilität:

• Zwischen dem Sensormaterial und der Probe darf keine chemische Reaktion stattfinden.

2. Konstruktion:

• 2-poliger Sensor: Am besten für die Messung geringer Leitfähigkeitswerte geeignet
• 4-poliger Sensor: Am besten für die Messung mittlerer bis hoher Leitfähigkeitswerte geeignet

3. Zellkonstante:

• Verwenden Sie einen Sensor mit einer niedrigen Zellkonstante (0,01-0,1 cm-1) für die Messung niedriger Leitfähigkeitswerte
  und einen Sensor mit einer höheren Zellkonstante (0,5-1,0 cm-1) für die Messung mittlerer bis hoher Leitfähigkeitswerte.

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Wechselspannung (AC):  Der Fluss der elektrischen Ladung wechselt periodisch in die entgegengesetzte Richtung.

Anion:                               Ein negativ geladenes Ion.

Kalibrierung:                       Empirische Bestimmung der Zellkonstante durch Messen einer Standardlösung.

Kation:                              Ein positiv geladenes Ion.

Zellkonstante K [cm-1]:    Theoretisch: K = l / A; Abstand zwischen den Elektroden (l) und der effektiven Querschnittsfläche
                                         des sich zwischen ihnen befindlichen Elektrolyten (A).
                                        Die Zellkonstante wird verwendet, um den Leitwert in die Leitfähigkeit umzuwandeln und wird durch Kalibrierung ermittelt.
                                        Die Differenz zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Zellkonstante wird durch Feldlinien verursacht.

Leitwert G [S]:        Die Fähigkeit eines Materials, Elektrizität zu leiten.

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6.1 Temperaturkorrekturfaktoren f₂₅ für die nicht lineare Korrektur

6.2 Temperaturkoeffizienten (α-Werte) für Leitfähigkeits-Standards von METTLER TOLEDO

6.3 Faktoren für die Umrechnung der Leitfähigkeit in TDS