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Was sagt der pH-Wert aus?

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Als Maß dafür, ob eine wässrige Lösung sauer oder alkalisch ist und wie stark sie sauer bzw. alkalisch ist, dient der pH-Wert. Der pH-Wert ist ein Zahlenwert, der grob mit Universalindikatorpapier bestimmt werden kann. Auch andere Indikatoren sind geeignet, wenn man weiß, bei welchem pH-Wert der Indikator welche Färbung hat. Auskunft über einen genaueren Zahlenwert des pH-Werts erhält man beim Einsatz eines pH-Meters mit pH-Elektrode. Damit kann man Werte mit mehreren Nachkommastellen genau messen.

Für den pH-Wert von Lösungen gilt folgendes:

- Saure Lösungen: \(pH < 7\)
- Alkalische Lösungen: \(pH > 7\)
- Neutrale Lösungen: \(pH = 7\)

Wie kommen diese Zahlenwerte eigentlich zustande?

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Versuch: Eigenschaften unterschiedlich verdünnter saurer Lösungen

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Durchführung

1. Kennzeichne 3 Reagenzgläser mit a , b bzw. c .
2. Gib \(10 mL\) Salzsäure (\(HCl_{(aq)}\)) der Konzentration \(c = 1 \frac{mol}{L}\) ins Reagenzglas a.
3. Fülle in die Reagenzgläser b und c je \(9 mL\) Wasser.
4. Gib in das Reagenzglas b \(1 mL\) der Salzsäure aus Reagenzglas a und mische durch vorsichtiges Schwenken.
5. Pipettiere nun aus dem Reagenzglas b \(1 mL\) Lösung in Reagenzglas c und mische durch vorsichtiges Schwenken.
6. Miss die elektrische Leitfähigkeit der drei Lösungen sowie den pH-Wert.

Q: Beobachtung

Q: Interpretation

1. Ordne die drei Lösungen einmal nach steigender Leitfähigkeit und einmal nach steigendem pH-Wert.
2. Stelle einen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und dem pH-Wert der sauren Lösungen her.
3. Gib jeweils den Faktor an, um den die Lösungen im Versuch verdünnt werden.
4. Vergleiche die gemessenen pH-Werte mit dem Faktor der Verdünnung der angesetzten Lösungen.
5. Stelle eine Vermutung darüber auf, welchen pH-Wert man messen würde, wenn man die Lösung aus Reagenzglas c erneut verdünnen würde.

1. Die Leitfähigkeit der Lösungen a, b und c steigt in der Reihenfolge c, b und a. Damit nimmt die Leitfähigkeit einer sauren Lösung mit der Verdünnung ab. Der pH-Wert der Lösungen a, b und c steigt in der Reihenfolge a, b und c. Damit nimmt der pH-Wert einer sauren Lösung mit der Verdünnung zu.
2. Je höher der pH-Wert der sauren Lösung, desto geringer ist ihre elektrische Leitfähigkeit.
3. Die Lösungen werden jeweils um den Faktor 10 verdünnt.
4. Bei der Verdünnung einer sauren Lösung um den Faktor 10 steigt ihr pH-Wert um eine Einheit.
5. Verdünnt man die Lösung c erneut um den Faktor 10, sollte ihr pH-Wert wieder um eine Einheit ansteigen und man müsste einen pH-Wert von 3 messen.

Der pH-Wert als Maßzahl

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Saure und alkalische Lösungen leiten den elektrischen Strom, da sie Oxonium-Ionen \(H_3 O^+\) bzw. Hydroxid-Ionen \(OH^-\) enthalten. Verdünnt man die Lösungen, indem man mehr Wasser hinzugibt, nimmt die Leitfähigkeit ab. In einem bestimmten Volumen nimmt die Anzahl der Ionen, und somit der Ladungsträger, durch das Verdünnen der Lösung ab.

Testet man den pH-Wert einer Salzsäurelösung und verdünnt diese dann zweimal jeweils um den Faktor 10, stellt man fest, dass der pH-Wert erst um einen und dann um zwei Zahlenwerte ansteigt, z.B. von 0 auf 1 und dann auf 2.

Umgekehrt sinkt der pH-Wert einer Natronlauge um einen Zahlenwert, z.B. von 10 auf 9, wenn man die Natronlauge um den Faktor 10 verdünnt.

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Je mehr Oxonium-Ionen in einem bestimmten Volumen einer Lösung enthalten sind, desto niedriger ist der pH-Wert der Lösung. Je mehr Hydroxid-Ionen in einem bestimmten Volumen einer Lösung vorliegen, desto höher ist der pH-Wert der Lösung.

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Neutrale Lösungen und die 7

Neutrale Lösungen, wie Wasser, haben einen pH-Wert von 7. Wie so oft hängt diese Zahl mit den besonderen Eigenschaften von Wasser zusammen.

Reines Wasser unterliegt einer sogenannten Autoprotolyse (auch Autodissoziation). Das heißt, dass es dauernd in Oxonium-Ionen (\(H_3 O^+)\) und Hydroxid-Ionen (\(OH^-)\) zerfällt und wieder zurück zu Wasser reagiert.

Wasser kann deshalb sowohl als Protonendonator (als Säure) oder als Protonenakzeptor (als Base) reagieren. Man spricht daher auch hier von einem Ampholyten.

\(2 H_{2}O \rightleftharpoons H_{3}O^{+}\ +\ OH^{-}\)

Das Reaktionsgleichgewicht liegt dabei stark auf der Seite von \(H_2 O\). Bei \(25^{\circ}C\) sind nur etwa \(10^{-7}\) Mol Oxonium-Ionen. Da diese Zahl im Alltag unpraktisch ist, ist der pH-Wert als Gegenzahl des dekadischen Logarithmus dieser Zahl definiert, z.B.:

\(pH = 7\, \hat{=}\, 10^{-7} Mol (H_3 O^+)\)

\(pH = 9\, \hat{=}\, 10^{-9} Mol (H_3 O^+)\)

\(pH = 1\, \hat{=}\, 10^{-1} Mol (H_3 O^+)\)

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