Vielen ist bewusst, dass der pH-Wert mit Säuren und Basen zusammenhängt und er für z.B. Wasserqualität, Lebensmittel, Aquarien oder auch Pflanzen wichtig ist. Die genaue Bedeutung wird im Laufe dieses Beitrages erklärt.

Vereinfacht gesagt zeigt der pH-Wert an, wie sauer oder basisch eine Lösung bzw. Flüssigkeit ist. Hierbei bezeichnet man Lösungen mit einem pH-Wert von 7 als neutral, mit einem Wert unter 7 pH als sauer und mit einem Wert über 7 pH als basisch (oder alkalisch).

Je weiter der pH-Wert von 7 entfernt ist, desto saurer bzw. basischer ist er. So spricht man bespielweise bei 6 pH von schwach sauer und bei 3 pH von stark sauer.

Was bedeutet der pH-Wert genau?

Das „H“ in pH ist das chemische Symbol für Wasserstoff (hydrogen). Wofür „p“ steht ist nicht eindeutig geklärt, üblicherweise spricht man bei „pH“ jedoch von „power of hydrogen“. Was bedeutet das nun?

Mit dem Wasserstoff, das in „pH“ abgekürzt wird, ist eigentlich ein Wasserstoff-Ion gemeint, welches als H⁺ geschrieben wird. Ein Wasserstoff-Atom besteht aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron und ist damit elektrisch neutral. Ein Wasserstoff-Ion ist ein Wasserstoff-Atom, welches sein (negativ geladenes) Elektron abgegeben hat, und somit nur noch aus einem Proton besteht und somit insgesamt positiv geladen ist (daher das „+“ in H⁺).

Technischer Hinweis: Manchmal wird das Wasserstoff-Ion als Hydronium (H₃O⁺) geschrieben, da sich freie H⁺ in Lösungen sofort mit Molekülen verbinden.

Die H⁺ sind dafür verantwortlich, dass eine Lösung sauer ist. Eine Säure ist eine Verbindung, welche H⁺ an einen Reaktionspartner, im Wesentlichen Wasser, übertragen kann. Als Beispiel nehmen wir Salzsäure (HCl), welche sich in Wasser in ihre Komponenten H⁺ und Cl^– aufteilt, und damit dem Wasser H⁺ zufügen. Diese H⁺ sorgen dafür, dass das Wasser nun sauer ist. Je höher hier die Konzentration der H⁺. desto saurer das Wasser.

HCl -> H⁺ + Cl^–

Die H⁺-Konzentration kann als Mol pro Liter Wasser angegeben werden. Ein Mol ist die Stoffmenge, in der sich 6,022^_x10²³ Teilchen befinden. Der pH-Wert steht mit der H⁺-Konzentration wie folgt in Verbindung:

(H⁺-Konzentration in mol/l) = 10^-pH

Bei einem pH-Wert von 3 ist die H⁺-Konzentration beispielweise 10^-3 bzw. 0,001 mol/l, bei 6 ist die Konzentration 10-6 mol/l.

Technischer Hinweis: Chemiker benutzen möglicherweise leicht andere Definitionen des pH-Wertes, welche das nicht-ideale Verhalten der Wasserstoff-Ionen berücksichtigen oder in anderen Einheiten (z.B. mol pro kg Wasser) formuliert sind [1]. Die hier dargestellte Erklärung sollte die Bedeutung des pH-Wertes jedoch für die meisten Menschen klar machen.

Was ist bei neutralen oder basischen Lösungen?

Wassermoleküle teilen sich in zwei Ionen auf: Wasserstoff-Ionen (H⁺) und Hydroxid-Ionen (OH^–)

H₂0 -> H⁺ + OH^–

Diese Reaktion ist umkehrbar, sodass H⁺ und OH^– sich auch zu Wasser rekombinieren können. Zu jedem Zeitpunkt ist die Konzentration von H⁺ und OH^– sehr klein im Verhältnis zur Anzahl der Wassermoleküle.

Bei einem pH-Wert von 7 sind die Konzentrationen von H⁺ und OH^– gleich groß. Aus diesem Grund wird 7 pH als neutral bezeichnet. Hat das Wasser einen pH-Wert unter 7, so ist die Konzentration von H⁺ größer als die Konzentration von OH^–, und das Wasser ist sauer. Hat das Wasser einen pH-Wert größer als 7, so ist die Konzentration von OH^– größer als die Konzentration von H⁺, und das Wasser ist basisch.

Bei einem hohen pH-Wert, also in stark basischen Lösungen, ist die H⁺-Konzentration sehr gering. Bei 11 pH liegt diese z.B. bei 10^-11 mol/l. Umgekehrt ist die Konzentration der OH^– umso größer. Die OH^–-Konzentration ist gegeben durch:

(Konzentration der OH^– in mol/l) = 10^pH-14

Bei 11 pH ist die OH^–-Konzentration also bei 10^11-14 (=10^-3) bzw. 0,001 mol/l, was genau der H⁺-Konzentration bei 3 pH entspricht.

Die pH-Skala: „power of hydrogen“

Die pH-Skala ist eine logarithmische Skala, das heißt ein Unterschied von einem pH entspricht einem Unterschied vom Faktor zehn in der H⁺-Konzentration. So ist zum Beispiel die H⁺-Konzentration bei 5 pH zehn mal höher als bei 6 pH, 100 mal höher als bei 7 pH, 1000 mal höher als bei 8 pH, usw. Unterschiede zwischen H⁺-Konzentrationen werden also durch Zehnerpotenzen dargestellt oder in englisch „power of ten„. Deshalb repräsentiert der pH-Wert sozusagen die „power of hydrogen„. Der pH-Wert wird üblicherweise definiert als der negative dekadische Logarithmus der H⁺-Konzentration:

pH = -log₁₀ [H⁺-Konzentration]

Die OH^–-Konzentration verhält sich analog. So ist die OH^–-Konzentration bei 8 pH zehn mal höher als bei 7 pH, 100 mal höher als bei 6 pH usw.

Ein verbreiteter Irrglaube ist, dass die pH-Skala bei null anfängt und bei 14 aufhört. Tatsächlich sind aber auch pH-Werte kleiner als null und größer als 14 möglich. So haben z.B. konzentrierte Säuren, die in Laboren oder der Industrie verwendet werden, häufig negative pH-Werte. Selbst in der Natur wurden schon pH-Werte bis -3,6 beobachtet [2].

Verweise

[1] Langmuir, D. (1997). Aqueous environmental geochemistry. Upper Saddle River, N.J: Prentice Hall.

[2] Nordstrom, D. K., Alpers, C. N., Ptacek, C. J., and Blowes, D. W. (2000) Negative pH and Extremely Acidic Mine Waters from Iron Mountain, California. USGS Staff — Published Research. 479.