In der Chemie spielen Säuren und Basen eine große Rolle. Das Wort sauer benutzt du häufig, um eine Geschmacksrichtung zu beschreiben. Säuren und saure Lösungen kannst du anhand ihres pH-Wertes erkennen. Doch was genau ist das?
Der pH-Wert reicht von 0 bis 14
Der pH-Wert gibt an, ob eine wässrige Lösung sauer, neutral oder basisch ist. Der pH-Wert sagt auch aus, wie stark oder schwach der saure oder basische Charakter einer Lösung ist. Die übliche pH-Wert-Skala reicht von 0 bis 14 (Abb. 1). Reines Wasser hat einen pH-Wert von 7. Lösungen, die einen pH-Wert von 7 haben, bezeichnen wir als neutral. Der pH-Wert von sauren Lösungen ist kleiner als 7. Bei basischen Lösungen ist der pH-Wert größer als 7. Zitronensaft hat zum Beispiel einen pH-Wert von 2,4 und Beton 12,6.
Für saure Lösungen gilt: Je kleiner der pH-Wert, desto stärker ist der saure Charakter der Lösung.
Für basische Lösungen gilt: Je größer der pH-Wert, desto stärker ist der basische Charakter einer Lösung.
Joachim Herz Stiftung; Jonas Trautner
Wasser steht im Säure-Base-Gleichgewicht
Wie kommt aber überhaupt dieser pH-Wert zustande, warum reicht die Skala von 0 bis 14? Und warum charakterisiert der Wert von 7 eine neutrale Lösung? Dies ist zu verstehen, wenn wir einen genauen Blick auf das Lösungsmittel Wasser werfen.
Reines Wasser besteht zum überwiegenden Teil aus Wasser-Molekülen \(\ce{(H2O)}\). Allerdings sind auch in einem sehr geringem Umfang Oxonium-Ionen \(\ce{(H3O+)}\) und Hydroxid-Ionen \(\ce{(OH-)}\) zu finden. Dies lässt sich über einen immer wieder möglichen Protonenübergang zwischen zwei Wasser-Molekülen erklären. Es findet also in einem geringen Umfang immer eine Säure-Base-Reaktion nach Brönsted statt.
\(\ce{H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}\)
Diese Reaktion findet als Gleichgewichtsreaktion in einem geringem aber immer recht konstanten Umfang statt und lässt sich mathematisch über das Ionenprodukt beschreiben. Das Ionenprodukt ist das Produkt der Stoffmengenkonzentrationen aller Ionen in einer Lösung. Bei Wasser sind es \(\ce{H3O+}\)-Ionen und \(\ce{OH-}\)-Ionen. Bei 25 °C ist der Wert des Ionenproduktes für Wassers \(\rm 10^{-14} mol^2 \cdot l^{-2}\)
\(\rm {c(\ce{H3O+}) \cdot c(\ce{OH-}) = 10^{-14} \nobreakspace mol^2 \cdot l^{-2}}\)
Anhand der Reaktionsgleichung erkennst du, dass in reinem Wasser die Anzahl an \(\ce{H3O+}\)-Ionen und \(\ce{OH-}\)-Ionen identisch sein muss. Immer wenn ein Protonenübergang bei Wassermolekülen stattfindet, entsteht jeweils eine der Ionensorten. Die obenstehende Gleichung kann für neutrale Lösungen also entsprechend umformuliert werden, so dass wir eine Aussage über die Menge an im Wasser vorliegenden Oxoniumionen erhalten:
\(\ce{c(\ce{H3O+}) = c(\ce{OH-})}\)
\(\rm{c^2(\ce{H3O+}) = c^2(\ce{OH-}) = 10^{-14} \nobreakspace mol^2 \cdot l^{-2}}\)
\(\rm{\sqrt{c^2(\ce{H3O+})} = \sqrt{10^{-14} \nobreakspace mol^2 \cdot l^{-2}}}\)
\(\rm{c(\ce{H3O+}) = 10^{-7} \nobreakspace mol \cdot l^{-1}}\)
In einer neutralen Lösung beträgt die Konzentration an \(\ce{H3O+}\)-Ionen somit \(\rm{10^{-7} mol \cdot l^{-1}}\).
Was passiert, wenn sich das Säure-Base-Gleichgewicht verschiebt
Reagiert eine Lösung sauer oder basisch, sind die Konzentrationen von \(\ce{H3O+}\)-Ionen und \(\ce{OH-}\)-Ionen verschieden, aber der Wert des Ionenproduktes muss, da es eine Konstante ist, gleich sein. Gibst du in Wasser zum Beispiel etwas Zitronensaft, dann nimmt die Konzentration der \(\ce{H3O+}\)-Ionen zu. Der Wert des Ionenproduktes ist immer noch \(\rm{10^{-14} mol^2 \cdot l^{-2}}\). Somit muss die Konzentration an \(\ce{OH-}\)-Ionen so weit abnehmen, bis wieder genau der Wert der Gleichgewichtskonstanten erreicht ist.
Saure und basische Lösungen lassen sich daher anhand der Konzentrationen von \(\ce{H3O+}\)-Ionen oder \(\ce{OH-}\)-Ionen beschreiben. Meist werden dazu die \(\ce{H3O+}\)-Ionen betrachtet. Um nicht immer mit Potenzzahlen umgehen zu müssen, wurde der pH-Wert eingeführt. Dieser Wert beschreibt den Exponenten einer Konzentration, allerdings mit umgedrehten Vorzeichen.
Mathematisch beschrieben ist der pH-Wert der negativen Zehnerlogarithmus des Werts der Konzentration an \(\ce{H3O+}\)-Ionen.
\(\mathrm{\ce{pH} = -lg[c(\ce{H3O+})]}\)
Saure und basische Lösungen können allerdings auch über die Konzentration der \(\ce{OH-}\)-Ionen beschrieben werden. Den negativen Zehnerlogarithmus des Wertes der Konzentration an \(\ce{OH-}\)-Ionen nennt man in der Chemie pOH-Wert.
\(\mathrm{\ce{pOH} = -lg[c(\ce{OH-})]}\)
Das oben formulierte Ionenprodukt des Wassers kann man auch logarithmisch formulieren:
\(\ce{pH + pOH = 14}\)
Über diese Gleichung kann sehr einfach von einem pH-Wert auf den entsprechenden pOH-Wert geschlossen werden. So hat Zitronensaft mit einem pH-Wert von 2,4 einen pOH-Wert von 11,6, während Beton mit einem pH-Wert von 12,6 einen pOH-Wert von 1,4 aufweist.
Aufgabe
Simulation zur pH-Wert-Messung
In dieser Simulation kannst du die pH-Werte verschiedener Lösungen des Alltags testen. Wähle dazu auf der Schaltfläche einen entsprechenden anderen Stoff als "Wasser" aus.
Durch Ziehen an den blauen Hähnen am Wasser-Zulauf und am Wannen-Ablauf kannst Du die gewünscht Wassermenge einstellen.
- Gib jeweils 0,1 L eines Stoffes in das Gefäß (durch Ablassen der überschüssigen Menge) und fülle auf 0,5 L auf (durch Einlassen von Wasser).
- Gib anschließend in der Aufgabe unten den richtigen pH-Wert an!