pH-Wert und pH-Skala verstehen

Einstieg: pH-hautneutral?

Auf Duschgel steht „pH-hautneutral 5,5“, auf dem Teststreifen für den Pool „pH 7,0 bis 7,4“, im Biologiebuch „Blut hat den pH-Wert 7,4“. Was bedeuten diese Zahlen? Und warum ist „hautneutral“ nicht dasselbe wie „neutral“?

Erklärung: Die pH-Skala

Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder alkalisch eine wässrige Lösung ist. Die übliche Skala reicht von 0 bis 14.

• pH < 7: saure Lösung. Je kleiner der pH-Wert, desto stärker sauer.
• pH = 7: neutrale Lösung (bei 25 °C), zum Beispiel reines Wasser.
• pH > 7: alkalische Lösung. Je größer der pH-Wert, desto stärker alkalisch.

Die Haut ist mit einem dünnen Säureschutzmantel bedeckt, ihr pH-Wert liegt bei etwa 5,5. „Hautneutral“ heißt: Das Duschgel hat denselben pH-Wert wie die Haut. Chemisch neutral wäre pH 7.

Was steckt dahinter? Oxonium- und Hydroxid-Ionen

Saure und alkalische Lösungen leiten den elektrischen Strom. Sie enthalten also Ionen. Die Ursache für die Eigenschaften sind zwei Ionensorten:

• Saure Lösungen enthalten viele Oxonium-Ionen $\mathrm{H_{3}O^{+}}$. Je mehr Oxonium-Ionen in einem Liter, desto kleiner der pH-Wert.
• Alkalische Lösungen enthalten viele Hydroxid-Ionen $\mathrm{OH^{-}}$. Je mehr Hydroxid-Ionen, desto größer der pH-Wert.
• In neutralen Lösungen sind Oxonium- und Hydroxid-Ionen in gleich kleiner Anzahl vorhanden.

Auch reines Wasser enthält ein paar wenige dieser Ionen, weil einzelne Wassermoleküle untereinander ein Proton (ein Wasserstoff-Ion $\mathrm{H^{+}}$) austauschen:

$\mathrm{H_{2}O} + \mathrm{H_{2}O} \rightleftharpoons \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{OH^{-}}$

Der Doppelpfeil zeigt, dass die Reaktion in beide Richtungen abläuft.

Eine Stufe bedeutet Faktor 10

Die pH-Skala ist keine gewöhnliche Skala: Ein pH-Wert kleiner um 1 bedeutet zehnmal so viele Oxonium-Ionen pro Liter. Eine Lösung mit pH 2 enthält also zehnmal so viele Oxonium-Ionen wie eine mit pH 3 und hundertmal so viele wie eine mit pH 4.

Verdünnt man die Lösung einer starken Säure wie Salzsäure mit Wasser im Verhältnis 1 : 10, steigt ihr pH-Wert um 1. Bei schwachen Säuren wie Essigsäure steigt er weniger. Sie wird nie alkalisch, egal wie viel Wasser man zugibt. Sie nähert sich nur pH 7.

Beispiele

Beispiel 1: Wie viel saurer?

Essig hat etwa pH 3, Kaffee etwa pH 5. Der Unterschied beträgt 2 pH-Stufen. Essig enthält deshalb etwa $10 \cdot 10 = 100$-mal so viele Oxonium-Ionen pro Liter wie Kaffee.

Beispiel 2: Verdünnen

Eine Salzsäure hat pH 1. Du nimmst 1 ml davon und füllst mit Wasser auf 10 ml auf. Die Oxonium-Ionen verteilen sich auf das zehnfache Volumen. Pro Liter sind es nur noch ein Zehntel so viele. Der pH-Wert steigt auf 2. Verdünnst du noch einmal 1 : 10, erhältst du pH 3.

Merksatz

Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder alkalisch eine wässrige Lösung ist: unter 7 sauer, 7 neutral, über 7 alkalisch. Saure Lösungen enthalten viele Oxonium-Ionen $\mathrm{H_{3}O^{+}}$, alkalische viele Hydroxid-Ionen $\mathrm{OH^{-}}$. Ein pH-Wert kleiner um 1 bedeutet zehnmal so viele Oxonium-Ionen.

Übungen

Grundlagen

1. Ordne nach steigendem pH-Wert: Seifenlösung, Magensaft, reines Wasser, Zitronensaft, Blut.
2. Welche Farbe zeigt Universalindikator bei pH 2, pH 7 und pH 12?
3. Nenne die Ionen, die saure Lösungen und alkalische Lösungen kennzeichnen.

Weiter

4. Wie viel mehr Oxonium-Ionen pro Liter enthält eine Lösung mit pH 3 als eine mit pH 6?
5. Erkläre, warum „pH-hautneutral“ nicht dasselbe ist wie „neutral“.
6. Salzsäure mit pH 4 wird 1 : 100 verdünnt. Welchen pH-Wert hat sie danach?

Knobeln

7. Lena behauptet: „Wenn ich Essig nur stark genug mit Wasser verdünne, wird er alkalisch.“ Nimm Stellung.
8. Regenwasser hat einen pH-Wert von etwa 5,6, weil sich Kohlenstoffdioxid aus der Luft darin löst. Regen mit pH 4,6 nennt man sauren Regen. Wie viel mehr Oxonium-Ionen enthält er pro Liter?

Lösungen

1. Magensaft (etwa 1 bis 2) < Zitronensaft (etwa 2 bis 3) < reines Wasser (7) < Blut (7,4) < Seifenlösung (etwa 9 bis 10).
2. pH 2: rot. pH 7: grün. pH 12: blau bis violett.
3. Saure Lösungen: Oxonium-Ionen $\mathrm{H_{3}O^{+}}$. Alkalische Lösungen: Hydroxid-Ionen $\mathrm{OH^{-}}$.
4. Drei pH-Stufen, also $10 \cdot 10 \cdot 10 = 1000$-mal so viele.
5. Hautneutral bedeutet pH etwa 5,5 wie die Haut, also schwach sauer. Neutral bedeutet pH 7.
6. Bei Salzsäure erhöht jede Verdünnung 1 : 10 den pH-Wert um 1. Bei 1 : 100 steigt er um 2, auf pH 6.
7. Die Aussage ist falsch. Beim Verdünnen werden die Oxonium-Ionen zwar immer weniger pro Liter, aber es entstehen keine Hydroxid-Ionen im Überschuss. Der pH-Wert nähert sich 7, wird aber nicht größer als 7.
8. Eine pH-Stufe Unterschied, also zehnmal so viele Oxonium-Ionen pro Liter.