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Der pH-Wert ist ein Maß für die Konzentration der $\ce{H+}$-Ionen (genauer: $\ce{H3O+}$-Oxoniumionen) in einer wässrigen Lösung. Er ist definiert als:
$$pH = -\log_{10}[\ce{H+}]$$Dabei ist $[\ce{H+}]$ die Konzentration der Hydronium-Ionen in mol/L. Die pH-Skala reicht bei 25 °C üblicherweise von 0 bis 14. Werte unter 7 sind sauer, über 7 sind basisch (alkalisch). Bei genau 7 spricht man von neutral – reines Wasser hat bei 25 °C $[\ce{H+}] = 10^{-7}$ mol/L und damit $pH = 7$.
Der logarithmische Charakter der pH-Skala
Ein zentrales Merkmal der pH-Skala ist ihre Logarithmizität: Eine Änderung um eine pH-Einheit entspricht einer zehnfachen Änderung der $\ce{H+}$-Konzentration. So ist beispielsweise eine Lösung mit $pH = 3$ zehnmal saurer als eine mit $pH = 4$ und hundertmal saurer als eine mit $pH = 5$. Diese Eigenschaft bringt die großen Konzentrationsunterschiede in der Chemie auf eine handliche Ziffernskala.
Indikatoren
Indikatoren sind organisch-chemische Farbstoffe, die in Abhängigkeit vom pH-Wert ihre Farbe ändern. Sie selbst sind schwache Säuren oder Basen, deren protonierte Form ($\ce{HInd}$) eine andere Farbe als Arbeitsschema die deprotonierte Form ($\ce{Ind^-}$) aufweist:
$$\ce{HInd <=> H+ + Ind-}$$| Indikator | pH-Umschlagsbereich | Farbe sauer | Farbe basisch |
|---|---|---|---|
| Thymolblau | 1,2–2,8 | rot | gelb |
| Methylorange | 3,1–4,4 | rot | gelb/orange |
| Bromthymolblau | 6,0–7,6 | gelb | blau |
| Phenolphthalein | 8,2–10,0 | farblos | purpurrot |
| Alizaringelb | 10,1–12,0 | gelb | rot |
Universalindikator vs. Einzelindikatoren
Universalindikator ist eine Mischung mehrerer Einzelindikatoren, die ein kontinuierliches Farbspektrum von rot (stark sauer) über gelb, grün, blau bis violett (stark basisch) abdeckt. Er ist ideal für schnelle pH-Schätzungen, aber seine Farbübergänge sind fließend und nicht so präzise wie die eines passenden Einzelindikators.
Einzelindikatoren wie Phenolphthalein haben dagegen einen scharfen Umschlagsbereich von nur 1–2 pH-Einheiten. Sie eignen sich besonders für die Titration, weil der Farbumschlag bei einem bestimmten pH-Wert erfolgt und genau beobachtet werden kann.
pH-Messmethoden
- Indikatorpapier: Schnell und günstig, Genauigkeit ±0,5 pH-Einheiten.
- Universalindikatorlösung: Erlaubt Farbvergleich mit einer Skala, Genauigkeit ±0,2–0,5.
- pH-Meter (pH-Elektrode): Elektrochemische Messung mit einer Glaselektrode. Sehr genau (±0,01–0,1) und digital ablesbar.
pH-Werte im Alltag
| Substan | pH-Wert |
|---|---|
| Salzsäure (0,1 M) | 1 |
| Zitronensaft | ≈ 2,0 |
| Cola | ≈ 2,5 |
| Essig | ≈ 2,9 |
| Kafee | ≈ 5 |
| Milch | ≈ 6,5 |
| Reines Wasser | 7,0 |
| Blut | ≈ 7,4 |
| Seife | ≈ 9–10 |
| Natronlauge (0,1 M) | 12–13 |
Übungen
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Berechne den pH-Wert einer Salzsäurelösung mit $c(\ce{HCl}) = 0{,}01$ mol/L (vollständige Dissozation annehmen, $[\ce{H+}] = c(\ce{HCl})$).
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Der pH einer unbekannten Lösung ist 4,5. Berechne $[\ce{H+}]$ und entscheide, ob die Lösung sauer oder basis ist.
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Eine Lösung hat $pH = 2$. Wie viermal höher ist die $\ce{H+}$-Konzentration im Vergleich zu einer Lösung mit $pH = 5$?
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Nenne drei Stoffe aus deinem Haushalt und ordne ihnen geschätzte pH-Werte zu. Überprüfe deine Schätzung mit einem Verlgeichstabelle.
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Bei einer Titration von Essigsäure mit Natronlauge liegt der Äquivalenzpunkt im basischen Bereich ($pH \approx 8{,}7$). Welcher Indikator aus der Tabelle eignet sich am besten? Begründe.
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Zusammenfassung
Der pH-Wert ($pH = -\log[\ce{H+}]$) beschreibt die Oxoniumionen-Konzentration einer Lösung auf einer logarithmischen Skala von 0 bis 14 (sauer: < 7, neutral: 7, basisch: > 7). Indikatoren sind schwache Säuren mit pH-abhängiger Farbe – Universalindikatur liefert einen Überblick, Einzelindikatoren wie Phenolphthalein sind für präzise Titrationen geeignet. Die Messung erfolgt mit Indikatorpapier oder genauen pH-Metern.