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Grundwissen

pH-Wert Berechnung

Das Wichtigste auf einen Blick:

  • Den pH-Wert einer Lösung kannst du genau berechnen.
  • Die Berechnungen basieren auf dem Säure-Base-Gleichgewicht in wässrigen Lösungen.
  • Der pH-Wert lässt sich über die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen berechnen.
  • Die Berechnung leitet sich vom Massenwirkungsgesetz ab.
MarkBuckawicki, CC0, via Wikimedia Commons
Abb. 1 pH-neutrale Seifen haben einen pH-Wert von 5,5 – diese sind also leicht sauer

Du kannst den pH-Wert von einer Lösung mit dem pH-Papier messen und bekommst ein ungefähres Ergebnis. Beim Messen des pH-Wertes sind pH-Meter schon genauer. Der pH-Wert deines Blutes liegt zwischen 7,35 und 7,45. In manchen Fällen müssen wir einen pH-Wert genau messen oder berechnen können, weil schon kleinste Abweichungen große Folgen haben können.

Es kann auch sein, dass z.B. eine Handseife einen genauen pH-Wert besitzen muss, damit sie besonders gut zu dem pH-Wert deiner Haut passt (Abb. 1). Bei der Produktion der Handseife soll der genaue pH-Wert erreicht werden, ohne verschiedene Mischverhältnisse ausprobieren zu müssen.

Wir erklären dir in diesem Artikel, wie du den pH-Wert berechnen kannst.

Wasser steht im Säure-Base-Gleichgewicht

Acid-Base Solutions, Simulation by PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, CC-BY 4.0
Abb. 2 Teilchendarstellung des dynamischen Gleichgewichts von Wasser

Berechnung des Ionenprodukts des Wassers über das Massenwirkungsgesetz
Du leitest den pH-Wert von der Konzentration der Oxonium-Ionen im dynamischen Gleichgewicht des Wassers ab. Das dynamische Gleichgewicht des Wassers kennst du als folgende Reaktion:

\(\ce{2 H2O <=> H3O^+ + OH^-}\)

Auf der Teilchenebene erkennst du, dass die Teilchenzahl der Oxonium- und Hydroxid-Ionen gleich ist (Abb. 2). Von den Wasser-Molekülen ist in der Lösung eine bedeutend größere Anzahl an Teilchen als von Oxonium- und Hydroxid-Ionen vorhanden.

Für diese Reaktion stellst du wieder das Massenwirkungsgesetz mit der Gleichgewichtskonstante \(K\) auf. Im Zähler notierst du dabei die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen. Die Konzentration der Wasser-Moleküle zum Quadrat wird im Nenner notiert:

\(K = \dfrac{c\,(\ce{H3O+})\cdot c\,(\ce{OH-})}{c^2\,(\ce{H2O})}\)

Dadurch, dass in dem Gleichgewicht der Anteil an Wasser-Molekülen \(\ce{H2O}\) um einiges größer ist als der Anteil an Oxonium- \(\ce{H3O^+}\) und Hydroxid-Ionen \(\ce{OH^-}\) (Abb. 2), hat eine Änderung der Konzentration der Wasser-Moleküle keinen großen Einfluss auf die mathematische Berechnung. Deshalb kannst du nun die Konzentration der Wassermoleküle zum Quadrat multiplizieren, um die Konstante \(K_W\) zu erhalten.

\(K = \dfrac{c\,(\ce{H3O+})\cdot c\,(\ce{OH-})}{c^2(\ce{H2O})}\mid \cdot c^2\,(\ce{H2O})\)

\(K\cdot c^2\,(\ce{H2O}) = K_W = c\,(\ce{H3O+})\cdot c\,(\ce{OH-})\)

Die Konstante \(K_W\) wird als das Ionenprodukt des Wassers bezeichnet, weil diese aus dem Produkt der Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen berechnet wird. Bei 25°C Raumtemperatur hat das Ionenprodukt des Wassers immer den Wert

\(K_W = 1,0 \cdot 10^{-14} \dfrac{mol^2}{l^2}\).

Berechnung der Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen über das Ionenprodukt
Mithilfe des Ionenprodukts kannst du jetzt berechnen, wie hoch die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen in einer neutralen Lösung ist. Du weißt, dass die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen gleich ist (Abb. 2):

\(c\,(\ce{H3O+}) = c\,(\ce{OH-})\)

In der Gleichung des Ionenproduktes könntest du also auch die Konzentration der Oxonium-Ionen mit sich selbst multiplizieren oder die Konzentration der Hydroxid-Ionen mit sich selbst multiplizieren. Daraus ergibt sich die folgende Gleichung:

\(c^2\,(\ce{H3O+}) = c^2\,(\ce{OH-}) = 10^{-14} \dfrac{mol^2}{l^2}\)

Rechne nun mit der Konzentration der Oxonium-Ionen weiter. Diese dient uns nämlich als Maß für den pH-Wert.

\(c^2\,(\ce{H3O+}) = 10^{-14} \dfrac{mol^2}{l^2}\)

Um das Quadrat der Konzentration aufzulösen, ziehe auf beiden Seiten der Gleichung die Wurzel:

\(c^2\,(\ce{H3O+}) = 10^{-14} \dfrac{mol^2}{l^2}\mid \sqrt{}\)

\(\sqrt{c^2\,(\ce{H3O+})} = \sqrt{10^{-14} \dfrac{mol^2}{l^2}}\)

\(c\,(\ce{H3O+}) = 10^{-7} \dfrac{mol}{l}\)

In einer neutralen Lösung beträgt die Konzentration an \(\ce{H3O+}\)-Ionen somit \(10^{-7} \dfrac{mol}{l}\).

Berechnung des pH-Wertes über die Konzentration der Oxonium-Ionen

Für die Berechnung des pH-Wertes verwendest du die Konzentration der Oxonium-Ionen. Zur Vereinfachung im Umgang mit den Potenzzahlen wurde der pH-Wert eingeführt. Du weißt jetzt, dass reines Wasser eine Konzentration an Oxonium-Ionen von \(\ce{c(H3O^+)} = 10^{-7} \dfrac{mol}{l}\) hat.

Um den pH-Wert zu berechnen, nimmst du von der Konzentration der Oxonium-Ionen den negativen dekadischen Logarithmus:

\(\ce {pH = -lg\,(c\,(\ce{H3O+}))}\)

\(\ce {pH = -lg\,(10^{-7}\dfrac{mol}{l})}\)

\( \ce {pH = 7} \)

Die Einheit fällt bei dieser Rechnung weg. Der pH-Wert beschreibt den Exponenten einer Konzentration, allerdings mit umgedrehten Vorzeichen. Reines Wasser hat einen pH-Wert von 7.

 

Berechnung des pH-Wertes über die Konzentration der Hydroxid-Ionen

Saure und basische Lösungen können auch über die Konzentration der \(\ce{OH-}\)-Ionen beschrieben werden. Den negativen Zehnerlogarithmus des Wertes der Konzentration an \(\ce{OH-}\)-Ionen nennen wir in der Chemie \(\ce {pOH}\)-Wert.

\( \ce {pOH\,=\,-lg\,(c\,({OH^-}))} \)

Das oben formulierte Ionenprodukt des Wassers kannst du auch logarithmisch formulieren:

\(\ce{pH + pOH = 14}\)

Über diese Gleichung kannst du einfach von einem pH-Wert auf den entsprechenden pOH-Wert schließen. 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.

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 als ein Konstante muss gleich sein. Gibst du in Wasser etwas von einer Säure, dann nimmt die Konzentration der \(\ce{H3O+}\)-Ionen zu. Der Wert des Ionenproduktes ist immer noch \(10^{-14}\frac{mol^2}{l^2}\). Somit muss die Konzentration an \(\ce{OH-}\)-Ionen so weit abnehmen, bis wieder genau der Wert der Gleichgewichtskonstanten erreicht ist.

In Abbildung 3 kannst du erkennen, wie zuerst das Gleichgewicht von Wasser eingestellt ist (hellgraue Teilchen im Hintergrund=Wasser, dunkelblaue Teilchen=Hydroxid-Ionen, rote Teilchen=Oxonium-Ionen). Bei Zugabe einer Säure steigt die Konzentration der Oxonium-Ionen (hellgraue Teilchen im Hintergrund=Wasser, dunkelgraue Teilchen=Säure, hellblaue Teilchen=Säurerest-Ionen, rote Teilchen=Oxonium-Ionen). Die Oxonium-Ionen stehen nicht nur im Gleichgewicht zu den Wasser-Molekülen, sondern auch zu den Säure-Molekülen. Wie du bei sauren und basischen Lösungen den pH-Wert berechnest, kannst du im Aufgabenbereich üben.

Zusammenfassung

Wasser steht in einem dynamischen Gleichgewicht $\ce{2 H2O <=> H3O^+ + OH^-}$. Für die Berechnung des pH-Wertes kannst du die Konzentration der Wasser-Moleküle vernachlässigen. Die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen ist gleich. Die Konzentration der Oxonium- und Hydroxid-Ionen ist in einer neutralen Lösung immer \(10^{-7} \frac{mol}{l}\). Den pH-Wert einer Lösung berechnest du über den negativen Logarithmus der Konzentration der Oxonium-Ionen. Bei einer neutralen Lösung kommt bei dieser Rechnung der pH-Wert 7 heraus.

Aufgabe