Wasserstoffelektrode – Referenzelektrode – Indikatorelektrode

Inhaltsverzeichnis

Referenzelektroden
Wasserstoffelektrode HydroFlex
Wasserstoffelektrode HydroFlex – Inbetriebnahme
Mini-Wasserstoffelektrode
Verwendung der Wasserstoffelektrode HydroFlex
Wasserstoffelektrode HydroFlex in der Zyklovoltammetrie
Wasserstoffelektrode HydroFlex in kritischen Flüssigkeiten
Wasserstoffelektrode HydroFlex in fluoridhaltigen Medien
Wasserstoffelektrode HydroFlex in der Lebensmittelanalytik

Referenzelektroden – Bezugselektroden

Referenzelektroden werden auch als Vergleichselektroden oder Bezugselektroden bezeichnet. Eine Bezugselektrode (Referenzelektrode) ist eine Halbzelle mit einem Elektrodenpotential, das sich schnell, reproduzierbar, konstant und über die Zeit stabil einstellt. Wenn Sie Potenziale angeben, sollten Sie immer angeben, gegen welche Bezugselektrode (Referenzelektrode) Sie das Potenzial bestimmt haben. Wenn Sie normgerecht messen möchten, müssen Sie die Wasserstoffelektrode verwenden. Die Wasserstoffelektrode muss dabei an den Minus-Pol (Masse oder auch Com-Eingang) angeschlossen werden. Dem Masse-Eingang von Messgeräten wird das Potential null zugeordnet wird und stellt das Bezugspotential für alle Signal- und Betriebsspannungen dar.

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Wasserstoffelektrode – Indikatorelektrode HydroFlex

Aufbau Bezugselektrode/Referenzelektrode Hydroflex

Aufbau Bezugselektrode/Referenzelektrode Hydroflex Gesamtlänge 120 mm, Schaftlänge 80 mm, Schaftdurchmesser 8 mm

Die Wasserstoffelektrode HydroFlex ist die Referenzelektrode (Bezugselektrode) erster Wahl, um normgerecht Potentiale zu messen. Wasserstoffelektroden sind die einzigen Referenzelektroden, die direkt die Wasserstoffionenaktivität messen. Es handelt sich um eine sogennante Indikatorelektrode, wenn sie direkt in die Messlösung eintaucht. Diese Wasserstoffelektrode ist komplett aus PTFE gefertigt. Mit 120 mm Gesamtlänge ist sie gerad so groß wie ein Kugelschreiber und dadurch sehr handlich. Der Schaft hat einen Außendurchmesser von 8 mm und eine Länge von 80 mm. Durch Aktivierung der Wasserstoffentwicklungszelle (Cartridge) wird die Wasserstoffproduktion in Gang gesetzt und das Innere des PTFE-Rohrs mit Wasserstoff befüllt, bis dieser unten durch Platin/Palladiumelektrode austritt. Die Spannung wird an der vergoldeten Buchse im Elektrodekopf abgegriffen. Multimeter zur Spannungsmessung sollten einen Eingangswiderstand von 5 MOhm und mehr haben. Sie kann bis zu Temperaturen von 210°C eingesetzt werden, solange nur der PTFE-Schaft diesen Temperatur ausgesetzt ist.

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Wasserstoffelektrode HydroFlex – Inbetriebnahme

Prinzip der Referenzelektrode/Bezugselektrode HydroFlex - eine Wasserstoffelektrode.

Prinzip der Referenzelektrode/Bezugselektrode HydroFlex – eine Wasserstoffelektrode.

Vor der Erstbenutzung muss die Wasserstoffelektrode HydroFlex aktiviert werden. Dadurch wird die Wasserstoffproduktion in der Wasserstoffentwicklungszelle in Gang gesetzt und der sich entwickelnde Wasserstoff befüllt das PTFE-Rohr und tritt unten aus der Platin/Palladiumelektrode aus. Dort stellt sich entsprechend der in der Lösung vorhandenen Elektrolytlösung ein Wasserstoffpotential ein, welches über die vergoldete Buchse am Elektrodenkopf abgegriffen werden kann. Einmal aktiviert, läuft diese Wasserstoffelektrode sechs Monate durch. Dann brauchen Sie nur die Wasserstoffentwicklungszelle auszutauschen. HydroFlex ist niederohmig, so dass keine abgeschirmten Kabel notwendig sind. Die Messgeräte sollten einen Eingangswiderstand von 5 MOhm und mehr haben.

Die Vorteile dieser handlichen Wasserstoffbezugselektrode liegen klar auf der Hand. Sie versorgt sich selbst über eine interne Quelle mit Wasserstoffgas, die einfach ausgetauscht werden kann. Sie enthält keinen Innenelektolyten. Dadurch gibt es keinen Ionenaustrag und keine Diffusionspotentiale. Sie ist wartungsarm, denn es muss kein Elektrolyt nachgefüllt werden. Sie enthält keine giftigen Schwermetalle. Sie ist verwendbar in konzentrierten fluoridhaltigen Elektrolyten weil aus PTFE hergestellt. Daher kann sie auch in stark sauren und stark alkalischen  Medien (pH -2 bis 16) verwendet werden.

 

Inbetriebnahme der Wasserstoffelektrode (Video)

Bedienungsanleitung Wasserstoffelektrode (pdf)

Wasserstoffelektrode – Auf einen Blick (pdf)

Wasserstoffelektrode im Onlineshop

Sie haben Interesse an unserer Wasserstoffelektrode – dann rufen Sie uns an – 0561 59190 oder schreiben uns eine Email.

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Mini-Wasserstoffelektrode

Wasserstoffelektrode HydroFlex im Miniformat.

Mini-Wasserstoffelektrode Kapillardurchmesser 1. 6 mm, Kapillarlänge ca. 85 mm

Für Anwendungen auf engsten Raum haben wir unsere Wasserstoffelektrode weiterentwickelt und verkleinert. Unsere Mini-Wasserstoffelektrode wird einsatzbereit geliefert. Es ist keine Aktivierung notwendig. Die Wasserstoffquelle kan nach 12 Monaten einfach ausgetauscht werden. Sie ist einsetzbar bis 80°C und arbeitet natürlich ebenfalls ohne Innenelektrolyten.  Derzeit bieten wir die Mini-Referenzelektrode aus PEEK an, Schaftlänge ca. 85  mm, Schaftdurchmesser 1.6 mm.

Sie haben Interesse an unserer Mini-Referenzelektrode, dann  kontaktieren Sie uns unter 0561 59190 oder per Email

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Verwendung der Wasserstoffelektrode HydroFlex

Sie können HydroFlex beispielsweise in diesen Lösungen einsetzen:

In diesen Elektrolyten wurde HydroFlex bereits getestet.

HydroFlex als RHE (Reversible Wasserstoffelektrode)

Der Einsatz von HydroFlex als RHE ist im Laboralltag sicherlich die häufigste Art der Verwendung. Sie setzen HydroFlex einfach direkt in Ihrer Messlösung ein. Die Vorteile liegen auf der Hand. Sie benötigen keine Elektrolytbrücke, haben keine Diffusionspotenziale und keine Verunreinigungen durch Ioneneintrag aus Ihrem Bezugssystem. Da HydroFlex abgesehen vom Wechsel der H2-Cartridge alle 6 Monate wartungsfrei ist, können Sie sie sehr gut für Dauermessungen einsetzen.

HydroFlex als NHE (Normal-Wasserstoffelektrode)

Setzen Sie HydroFlex in 1 mol/l Salzsäure bei Umgebungsdruck ein, haben Sie eine Normalwasserstoffelektrode (NHE). Die Potenzialabweichungen einer Normalwasserstoffelektrode zu einer Standard-Wasserstoffelektrode (s.u.) sind gering, während sich der experimentelle Aufwand in Grenzen hält.

HydroFlex als SHE (Standard-Wasserstoffelektrode)

Die Standardwasserstoffelektrode ist die wichtigste Referenzelektrode überhaupt, da ihr Potential als Nullpunkt der elektrochemischen Spannungsreihe definiert  ist:

„For solutions in protic solutions, the universal reference electrode for which, under standard conditions, the standard electrode potential H+/H2 is zero at all temperatures.“ (IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Goldbook, Version 2.3.3., 24.03.2014)

standard hydrogen electrode: „The standard hydrogen electrode consists of a platinum electrode in contact with a solution of H+ at unit activity and saturated with H2 gas with a fugacity referred to the standard presse p of 105 Pa. “ (Quantities, units and symbols in physical chemistry, IUPAC Green Book, 3rd edn, 2nd printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge, 2008). Seit 1982 gibt die IUPAC einen Standarddruck von 1.000 bar (100 kPa) vor. In den Jahren vor 1982 war der Standarddruck allerdings definiert zu 1.01325 bar (101.325 kPa = 1atm)2. Aus diesem Grund findet man in den Referenzen sehr oft den Wert 1.01325 bar, der in der Elektrochemie immer noch der bevorzugte Standard ist.

Um HydroFlex als SHE zu benutzen,  muss HydroFlex in einem Elektrolyten der Wasserstoff-Ionenaktivität 1 mol/l eingesetzt werden. Bei 25°C hat z. B. eine 1.184molare Salzsäure eine Aktivität der Hydroniumionen von 1 mol/l. Die Temperatur muss 298,15 K und der Druck 1013 hPa betragen (Standard-Bedingungen). Da insbesondere die Einstellung des Druckes und der Aktivität schwierig sind, spielt diese Einsatzmöglichkeit eine untergeordnete Rolle.

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Wasserstoffelektrode HydroFlex in der Zyklovoltammetrie

Unsere Wasserstoffelektrode eignet sich als Referenzelektrode in der Zyklovoltammetrie, z. B. an Platin in Schwefelsäure oder in Kalilauge.

Deckschichtdiagramm an Platin mit Wasserstoffelektrode HydroFlex in H2SO4.

Deckschichtdiagramm an Platin mit Wasserstoffelektrode HydroFlex in H2SO4.

Deckschichtdiagramm an Platin mit Wasserstoffelektrode HydroFlex in KOH.

Deckschichtdiagramm an Platin mit Wasserstoffelektrode HydroFlex in KOH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Wasserstoffelektrode HydroFlex in kritischen Flüssigkeiten

Der Einsatz von Wasserstoffreferenzelektroden erleichtert pH-Messungen oder Titrationen in kritischen Flüssigkeiten. Eine solche Wasserstoffreferenzelektrode von Gaskatel wird unter dem Namen HydroFlex seit Jahren als Bezugselektrode in der Forschung eingesetzt. Sie hat sich unter schwierigsten Bedingungen bewährt, beispielsweise in:

  • 85% ortho-Phosphorsäure bis 180 °C
  • 10 M Natronlauge und Kalilauge bis 100 °C

Es sind Titrationen – insbesondere solche in edelmetallhaltigen Lösungen – bekannt,bei denen das Diaphragma der Bezugselektrode schnell verstopft. Auch hier bietet sich die Wasserstoff-Referenz HydroFlex als Bezugselektrode an, denn es kann ein Innenelektrolyt gewählt werden, bei dem die Verstopfung des Diaphragmas ausgeschlossen ist. Als Beispiel sei hier die Titration von salpetersaurer Silbernitrat-Lösung mit Lauge genannt. Weil der KCl-Innenelektrolyt der bisherigen Bezugselektroden neutral ist, fällt das Silber an dem Übergang zum Diaphragma aus und verstopft dieses. Um das Ausfallen zu verhindern, sollte der pH-Wert unterhalb von drei liegen. Die Lösung dieses Problems wäre also möglich, wenn man den pH-Wert des Innenelektrolyten auf < pH 3 wählt – für eine Wasserstoffbezugselektrode ist dies durchaus möglich. Für den hier genannten Fall empfiehlt sich also eine Glaselektrode als pH-sensitive Elektrode, ein Elektrolytschlüssel gefüllt mit 1 M HNO3 (etwa pH = 0) und HydroFlex in dem HNO3-Innenelektrolyten.

HydroFlex als Bezugselektrode für eine pH-Halbzelle.

HydroFlex als Bezugselektrode für eine pH-Halbzelle.

Titrationskurve einer salpetersauren Silbernitratlösung mit NaOH (Titration von 50 ml Silbernitrat (ca. pH 0,5) mit 1 M NaOH; Glaselektrode Hydroflex in Elektrolytbrücke mit 1 M HNO3).

Titrationskurve einer salpetersauren Silbernitratlösung mit NaOH (Titration von 50 ml Silbernitrat (ca. pH 0,5) mit 1 M NaOH; Glaselektrode Hydroflex in Elektrolytbrücke mit 1 M HNO3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Wasserstoffelektrode HydroFlex in fluoridhaltigen Medien

Die Wasserstoffelektrode HydroFlex kann in hochkonzentrierten fluoridhaltigen Medien eingesetzt werden, wo handelsübliche Referenzelektroden aus Glas sich auflösen wie z. B. in KF2HF-Schmelzen bei 120°C oder in Flusssäure verschiedener Konzentrationen.

HydroFlex in KF2HF bei 120°C.

HydroFlex in KF2HF bei 120°C.

HydroFlex in Flußsäure verschiedener Konzentrationen.

HydroFlex in Flußsäure verschiedener Konzentrationen.

 

Titrationskurve von 10 M Flusssäure mit 1 M KOH (Hydroflex gegen Ag/AgCl).

Titrationskurve von 10 M Flusssäure mit 1 M KOH (Hydroflex gegen Ag/AgCl).

 

 

 

 

 

Die pH-Bestimmung in konzentrierten, fluoridhaltigen Flüssigkeiten gehört zu den bekanntesten Herausforderungen der pH-Wert-Messung. Die Wasserstoff-Referenz bietet sich hier als pH-sensitive Elektrode an. Eine Messkette würde dann wie folgt aussehen: Wasserstoff-Referenz als pH-Elektrode und beispielsweise Ag/AgCl im Peek-Schaft als Bezugselektrode.

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Wasserstoffelektrode HydroFlex in der Lebensmittelanalytik

Gemeinsam mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e. V. Meinsberg wurden auf der Basis von Wasserstoffelektroden neue Referenzsonden für die Lebensmittelanalytik entwickelt. Die Messungen erfolgten in Puffer-, Milch- und Weinproben.

J. Schwarz, A. Hörig, W. Oelssner, W. Vonau, H.-J. Kohnke: Neue Referenzelektroden auf der Basis von Wasserstoffelektroden für die Lebensmittelanalytik

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