5.2 pH-Skala und Ermittlung des pH-Wertes

5.2.1 Die Autoprotolyse des Wassers

In der Tabelle der KS- und KB-Werte erscheint Wasser zweimal, als konjugierte Base des Hydronium-Ions und als sehr schwache Säure. Bekanntermaßen ist Wasser nach Brönsted ja ein Ampholyt. Hinsichtlich seines Protolyseverhaltens weist es ein weitere Besonderheit auf. Es kann mit sich selbst reagieren, also ein Proton von einem Wassermolekül auf ein anderes übertragen. Diese Reaktion spielt sich in Wasser immer ab, allerdings nur in sehr geringem Umfang. Anders ausgedrückt: Das Protoysegleichgewicht der Autoprotolyse liegt extrem auf der linken Seite.

H2O + H2O ⇌  H3O+ + OH-

Wendet man das MWG an, so ergibt sich:

5.2.2 Das Ionenprodukt der Wassers

Wie schon besprochen, macht man einen vernachlässigbaren Fehler, wenn man die Konzentration des Wassers mit 55,6 mol/l als konstant ansieht. Das Produkt aus K und c(H₂O)² heißt Ionenprodukt des Wassers K_W.

K_W ist wie alle Gleichgewichtskonstanten temperaturabhängig. Der angegebene Wert gilt für 22°C.

Da in reinem Wasser nach der Autoprotolyse die Konzentration der Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen aber gleich ist, also

so errechnet sich die Konzentration der Hydronium-Ionen zu

in reinem Wasser beträgt also die Konzentration der Hydronium-Ionen wie der Hydroxid-Ionen jeweils 10^-7 mol/l.

5.2.3 Die Definition des pH-Wertes

Kennt man also in einer beliebigen Lösung z.B. die Hydronium-Ionen-Konzentration, so lässt sich mit Hilfe des Ionenproduktes die Hydroxid-Ionen-Konzentration errechnen (und umgekehrt). Aus diesem Grunde genügt es also, nur eine der beiden Konzentrationen zu kennen. Man hat sich darauf verständigt, für alle Lösungen, ob sauer oder alkalisch, nur die Hydronium-Ionen-Konzentration anzugeben. Man definiert den pH-Wert:

© Belinda Flemming: pH-Wert-Skala vom Universalindikator mit Angabe der Säure- und Basekonzentrationen, CC BY-SA

Rechenbeispiele zum pH-Wert

1. Welchen pH besitzt eine Salzsäure der Konzentration 0,5 mol/l (auch als 0,5-molare Salzsäure bezeichnet)?

Salzsäure gehört zu den starken Säuren. Ihr Protolysegleichgewicht liegt extrem weit rechts auf der Seite der Hydronium-Ionen und der Chlorid-Ionen. Praktisch kommen in einer Salzsäure dieser Konzentration also keine HCl-Moleküle mehr vor. Damit kann man vereinfachend annehmen, dass auch die Konzentration der Hydronium-Ionen 0,5 mol/l beträgt, c(H₃O⁺) = 0,5 mol/l = 10^–0,3 mol/l. Daraus ergibt sich ein pH-Wert von 0,3.

2. Gesucht ist der pH einer 0,75-molaren Natronlauge. Natronlauge ist die wässrige Lösung von Natriumhydroxid und weist daher eine Natrium-Ionen-Konzentration von 0,75 mol/l auf wie auch eine Hydroxid-Ionen-Konzentration von 0,75 mol/l.

NaOH ⟶ Na⁺ + OH^–
c(OH^–) = 0,75 mol/l

Um den pH-Wert zu berechnen, muss zuerst die c(H₃O⁺) bekannt sein. Diese errechnet sich über das Ionenprodukt des Wassers zu

Der pH-Wert der Lösung beträgt daher 13,88.

Schülerexperiment: Einführung und Messen des pH-Wertes von Alltagschemikalien (Universalindikatorpapier, Blaukrautsaft)

Der pH-Wert birgt eine große Alltagsrelevanz für Schüler. Daher bietet es sich an überwiegend Lebensmittel und Chemikalien zur Versuchsdurchführung auszuwählen, welche die Schüler ohne Probleme im eigenen Haushalt wiederfinden können. Der pH-Wert birgt eine große Alltagsrelevanz für Schüler. Daher bietet es sich an über-wiegend Lebensmittel und Chemikalien zur Versuchsdurchführung auszuwählen, welche die Schüler ohne Probleme im eigenen Haushalt wiederfinden können. Um den pH-Wert verschiedener Substanzen zu messen, werden zwölf Lösungen von den ausstehenden Lebensmitteln bzw. Chemikalien hergestellt und je 4 ml in die Plastikröhrchen aus der pH-Wert Box gefüllt.

© Belinda Flemming: Lebensmittel und Chemikalien zur Herstellung der Lösungen, daneben Plastikröhrchen in der pH-Wert Box und die pH-Skala des Universalindikatorpapiers (links),Extraktion von Blaukrautsaft durch mörsern mithilfe von Sand als Schleifmittel, CC BY-SA

Zum Vergleich erfolgt die Messung des pH-Wertes mithilfe zweier Indikatoren, Blaukrautsaft als natürlichem Indikator und einem Universalindikator auf pH-Teststreifen. Zuerst wird der pH-Wert der zwölf Lösungen mithilfe des pH-Papiers gemessen (Farbstoff des Blaukrautsaftes würden den Wert verfälschen). Nun gibt man zu jeder Lösung eines Plastikröhrchens 1 ml des Blaukrautsafts und bestimmt den pH-Wert nach Ende der Farbänderung.

© Belinda Flemming: pH-Wert-Skala vom Blaukrautsaft (oben), Farbänderungen der Lösungen 1-12 nach Zugabe von Blaukrautsaft (unten, von links nach rechts – sauer nach alkalisch), CC BY-SA

Die pH-Messwerte der beiden Bestimmungsmethoden werden verglichen, deren Zuverlässigkeit eingeschätzt und die Lösungen auf die pH-Wert Skala eingetragen. Die pH-Werte für jede Lösung stimmen nicht genau überein. Mit Blaukrautsaft als Indikatorlösung ist die eindeutige Zuordnung der pH-Werte schwieriger. Gründe für die Abweichungen können die Konzentration oder die Variabilität der Menge des dazugegebenen Blaukrautsafts zu den Lösungen sein. Diese Faktoren sind beim Messen mit pH-Papier konstant, wodurch eine exaktere Bestimmung der pH-Werte möglich wird.

Belinda Flemming: Tabelle mit Lösungen und Messwerten zur Bestimmung des pH-Wertes mit Universalindikatorpapier (UI) und Blaukrautsaft (BKS), rechts die Nummern der Lösungen dargestellt auf der pH-Wert Skala

Durchschnittliche pH-Werte und Art des Milieus einiger Lösungen: