Der pH-Wert gibt an, ob eine Lösung sauer, neutral oder basisch ist – mathematisch definiert als negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration. Anders als auf unserer Parameter-Übersichtsseite geht es hier um die Technik dahinter: wie ein pH-Messgerät das überhaupt misst, und was sich rechnerisch hinter der Skala verbirgt.
Wie funktioniert ein pH-Messgerät?
pH-Messgeräte arbeiten nach dem Prinzip der Potentiometrie: Eine spezielle Glaselektrode reagiert empfindlich auf die Konzentration von Wasserstoffionen (H⁺) in einer Lösung und baut dadurch ein elektrisches Potential auf. Dieses Potential wird gegen eine Referenzelektrode mit konstantem, bekanntem Potential gemessen. Die Spannungsdifferenz zwischen beiden Elektroden, typischerweise im Millivolt-Bereich, wird vom Gerät nach der Nernst-Gleichung in einen pH-Wert umgerechnet.
Bei den meisten modernen Messgeräten, auch bei Apera-Geräten, sind Mess- und Referenzelektrode in einer einzigen Kombinationselektrode zusammengefasst. Da das Verhältnis von Spannung zu pH-Wert temperaturabhängig ist, verfügen die meisten Geräte über eine automatische Temperaturkompensation (ATC), die Schwankungen der Wassertemperatur automatisch ausgleicht.
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.n, der Wasseranalyse, Hydroponik und Aquakultur eingesetzt.
Technischer Hintergrund des pH-Wertes
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 6,022x1023 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) = 10pH-14
Bei 11 pH ist die OH–-Konzentration also bei 1011-14 (=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].
Typische pH-Werte verschiedener Flüssigkeiten
Die tatsächlichen Werte können je nach Zusammensetzung variieren.
| Flüssigkeit | ungefährer pH-Bereich |
|---|---|
| Zitronensaft | ca. 2 |
| Kaffee | ca. 5 |
| Trinkwasser | ca. 6,5 bis 9,5 |
| Reines Wasser | ca. 7 |
| Meerwasser | ca. 8 |
| Seifenlösung | ca. 9 bis 10 |
Häufige Fragen zum pH-Wert
Was ist ein neutraler pH-Wert?
Ein pH-Wert von 7 gilt bei 25 °C als neutral, hier liegt die Konzentration von H⁺- und OH⁻-Ionen im Gleichgewicht vor. Bei anderen Temperaturen kann sich dieser Punkt geringfügig verschieben.
Warum ist die pH-Skala logarithmisch?
Weil die zugrunde liegende Wasserstoffionen-Konzentration selbst über viele Zehnerpotenzen variiert (von 1 mol/l bei sehr sauren bis 10⁻¹⁴ mol/l bei sehr basischen Lösungen). Eine logarithmische Skala macht diesen enormen Bereich in handhabbaren Zahlen darstellbar. In der Praxis meist zwischen 0 und 14, auch wenn theoretisch Werte darüber hinaus möglich sind.
Wie funktioniert die Glaselektrode in einem pH-Meter?
Die dünne Glasmembran an der Spitze der Elektrode ist selektiv durchlässig für Wasserstoffionen. Trifft sie auf eine Lösung, baut sich an der Membran ein elektrisches Potential auf, das proportional zur H⁺-Konzentration ist. Dieses wird gegen die interne Referenzelektrode gemessen und vom Gerät in einen pH-Wert umgerechnet.
Was bedeutet die Genauigkeitsangabe (z. B. ±0,1 pH) bei einem Messgerät?
Sie gibt an, um wie viel der angezeigte Wert im ungünstigsten Fall vom tatsächlichen pH-Wert abweichen kann. Ein Gerät mit ±0,1 pH Genauigkeit zeigt bei einem realen pH-Wert von 7,0 einen Wert zwischen 6,9 und 7,1 an. Labor-Messgeräte erreichen häufig ±0,01 pH.
Warum ist reines Wasser nicht exakt neutral, wenn CO₂ aus der Luft gelöst wird?
Kohlendioxid aus der Luft löst sich in Wasser und bildet Kohlensäure (H₂CO₃), die geringe Mengen H⁺-Ionen freisetzt. Dadurch sinkt der pH-Wert von destilliertem Wasser nach einiger Zeit an der Luft von 7,0 auf Werte um 5,5–6,5.
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.