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pH-Wert verstehen: Skala, Messung und Berechnung
Der pH-Wert zeigt, wie sauer oder basisch eine wässrige Lösung wirkt. Ein kleiner pH-Wert bedeutet viele Oxonium-Ionen H₃O⁺ und eine saure Wirkung; ein großer pH-Wert bedeutet wenige H₃O⁺ und eine basische Wirkung. Für verdünnte wässrige Lösungen bei etwa 25 °C gilt meist: unter 7 sauer, 7 neutral, über 7 basisch.
Du lernst zuerst, die logarithmische Skala zu lesen. Danach misst, deutest und berechnest du pH-Werte und erkennst, wann einfache Regeln nicht ausreichen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was der pH-Wert misst
In Wasser liegen einzelne Protonen nicht frei vor. Sie binden an Wassermoleküle und bilden Oxonium-Ionen H₃O⁺. Je größer deren wirksamer Anteil ist, desto saurer wirkt die Lösung.
pH-Wert
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Aktivität der Oxonium-Ionen. Die Aktivität ist eine dimensionslose Größe, die beschreibt, wie wirksam die Ionen in der Lösung sind.
Für einfache Schulrechnungen mit verdünnten Lösungen wird die Aktivität näherungsweise durch die Konzentration ersetzt. Verwendest du den Zahlenwert der Konzentration in mol/L, gilt:
$$\mathrm{pH}\approx-\lg\left(\frac{c(\mathrm{H_3O^+})}{1\,\mathrm{mol/L}}\right)$$
Der pH-Wert selbst hat keine Einheit.
Gegeben ist $c(\mathrm{H_3O^+})=0{,}01\,\mathrm{mol/L}=10^{-2}\,\mathrm{mol/L}$.
$$\mathrm{pH}=-\lg(10^{-2})=-(-2)=2$$
Die Lösung hat pH 2 und ist unter den genannten Bedingungen sauer.
Kleiner pH-Wert: viele Oxonium-Ionen. Großer pH-Wert: wenige Oxonium-Ionen.
Warum eine pH-Stufe den Faktor zehn bedeutet
Der pH-Wert verwendet den dekadischen Logarithmus, also einen Logarithmus zur Basis 10. Deshalb entspricht eine Änderung um eine pH-Einheit einem Faktor 10 bei der Oxoniumionenkonzentration.
| pH-Wert | $c(\mathrm{H_3O^+})$ in mol/L |
|---|---|
| 1 | $10^{-1}$ |
| 2 | $10^{-2}$ |
| 3 | $10^{-3}$ |
Von pH 3 zu pH 2 steigt die Oxoniumionenkonzentration um den Faktor 10. Von pH 3 zu pH 1 steigt sie um den Faktor $10^2=100$.
Lösung A hat pH 3, Lösung B pH 1. Der Unterschied beträgt zwei pH-Einheiten.
$$10^{3-1}=10^2=100$$
B besitzt daher eine 100-mal so große Oxoniumionenkonzentration wie A. Nicht der pH-Wert selbst ist 100-mal so groß, sondern die Konzentration.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Sinkt der pH-Wert um eine Einheit, wird die Oxoniumionenkonzentration um den Faktor größer. Eine Lösung mit dem pH-Wert enthält mehr Oxonium-Ionen. Zwei pH-Einheiten Unterschied entsprechen dem Faktor .
Wie du den pH-Wert misst und deutest
Ein Universalindikator verändert seine Farbe abhängig vom pH-Bereich. Du vergleichst die Farbe mit einer Skala und erhältst einen ungefähren Wert. Einzelne Indikatoren schlagen nur in einem begrenzten pH-Bereich um.
Ein pH-Meter misst elektrochemisch, meist mit einer Glaselektrode. Es eignet sich, wenn du einen genaueren Zahlenwert brauchst.
| Verfahren | Ergebnis | Sinnvoll, wenn ... |
|---|---|---|
| Universalindikator | ungefährer pH-Bereich | eine grobe Einordnung genügt |
| pH-Meter | genauerer Messwert | kleine Unterschiede wichtig sind |
Bei verdünnten wässrigen Lösungen um 25 °C kannst du den Messwert so einordnen:
- pH kleiner als 7: sauer
- pH gleich 7: neutral
- pH größer als 7: basisch oder alkalisch
Der pH-Wert hilft bei der Einschätzung einer Lösung. Sehr saure und sehr basische Lösungen können ätzend sein; der pH-Wert allein beschreibt jedoch nicht jede mögliche Gefahr eines Stoffes.
„Chemisch neutral“ bedeutet unter diesen Bedingungen pH 7. „Hautneutral“ kann dagegen ungefähr pH 5,5 bedeuten und ist damit leicht sauer. Die beiden Ausdrücke meinen nicht dasselbe.
Wie du pH und pOH berechnest
Prüfe vor jeder Rechnung, welche Ionenkonzentration gegeben ist und ob die vereinfachten Bedingungen gelten.
Aus der Oxoniumionenkonzentration zum pH-Wert
- Schreibe die Konzentration in mol/L als Zehnerpotenz.
- Setze ihren Zahlenwert in $\mathrm{pH}=-\lg c(\mathrm{H_3O^+})$ ein.
- Deute das Ergebnis im Sachzusammenhang.
Gegeben ist $c(\mathrm{H_3O^+})=10^{-10}\,\mathrm{mol/L}$.
$$\mathrm{pH}=-\lg(10^{-10})=10$$
Die Lösung ist unter den vereinfachten Bedingungen basisch.
Umgekehrt folgt aus der Definition für verdünnte Lösungen:
$$c(\mathrm{H_3O^+})\approx10^{-\mathrm{pH}}\,\mathrm{mol/L}$$
Von Hydroxid-Ionen über den pOH-Wert
Der pOH-Wert wird entsprechend aus der Hydroxidionenkonzentration gebildet:
$$\mathrm{pOH}\approx-\lg\left(\frac{c(\mathrm{OH^-})}{1\,\mathrm{mol/L}}\right)$$
Für verdünnte wässrige Lösungen bei 25 °C gilt:
$$\mathrm{pH+pOH}=14$$
Eine verdünnte Natronlauge besitzt $c(\mathrm{OH^-})=10^{-3}\,\mathrm{mol/L}$.
$$\mathrm{pOH}=-\lg(10^{-3})=3$$
$$\mathrm{pH}=14-3=11$$
Das Ergebnis pH 11 passt zu einer basischen Lösung.
Vertiefung: Wasser-Gleichgewicht und Grenzen
Wasser kann Protonen übertragen. Bei seiner Autoprotolyse entstehen Oxonium- und Hydroxid-Ionen:
$$2\,\mathrm{H_2O}\rightleftharpoons\mathrm{H_3O^+}+\mathrm{OH^-}$$
Bei 25 °C ist ihr Konzentrationsprodukt in verdünnten wässrigen Lösungen:
$$K_W=c(\mathrm{H_3O^+})\cdot c(\mathrm{OH^-})=10^{-14}\,\mathrm{mol^2/L^2}$$
In neutralem Wasser sind beide Konzentrationen gleich. Deshalb ist jede von ihnen $10^{-7}\,\mathrm{mol/L}$, und der pH-Wert beträgt 7.
Neutral bedeutet: Oxonium- und Hydroxidionen sind gleich wirksam vorhanden. pH 7 ist der Neutralwert bei etwa 25 °C, aber keine temperaturunabhängige Naturkonstante.
Die oft gezeichnete Skala von 0 bis 14 zeigt den häufigsten Schulbereich, keine absoluten Grenzen. Werte unter 0 und über 14 sind möglich. Bei konzentrierten Lösungen reicht die Konzentrationsnäherung nicht aus; die genaue Rechnung verwendet Aktivitäten.
Auch Säurestärke und Säurekonzentration sind verschieden. Eine starke einprotonige Säure reagiert in Wasser nahezu vollständig, sodass ihre Anfangskonzentration näherungsweise die Oxoniumionenkonzentration liefert. Eine schwache Säure reagiert nur teilweise. Für sie musst du das Protolysegleichgewicht und die Säurekonstante berücksichtigen; die einfache Gleichsetzung ist dann falsch.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- pH-Wert
- Saure oder basische Wirkung: niedriger pH bedeutet mehr H₃O⁺
- Logarithmische Skala: eine Stufe entspricht dem Faktor 10
- Messung: grob mit Indikator, genauer mit pH-Meter
- Berechnung: aus H₃O⁺ oder über pOH aus OH⁻
- Geltungsbedingungen: pH 7 ist bei etwa 25 °C neutral