pH-Wert Grundlagen

Der pH-Wert gibt Auskunft darüber wie stark eine wässrige Lösung sauer bzw. basisch ist. Nach Brönsted sind Säuren (HA) Protonendonatoren. Sie geben also Wasserstoffionen ab und bilden Hydroniumionen (Oxoniumionen).

$HA + H_2O \longrightarrow~H_3O^+ + A^-$

Eine Base (B) dagegen ist ein Protonenakzeptor. Bei der Reaktion mit Wasser nehmen sie demnach Protonen auf und bilden Hydroxidionen.

$B + H_2O \longrightarrow~OH^- + BH^+$

Die Konzentration (genauer betrachtet die Aktivität) der Hydroniumionen gibt nun Aufschluss über die saure Wirkung einer Lösung. Die Konzentration wird in mol pro Liter $(\frac{mol}{l})$ angegeben. Beispiel für eine verdünnte Säure:

$c(H_3O^+) = 0,0001~\frac{mol}{l}$.

Diese Konzentration kann man auch als Zehnerpotenz schreiben. Dann lautet sie:

$c(H_3O^+) = 10^{-4} \frac{mol}{l}$.

Um nicht immer umständlich die Konzentration der Hydroniumionen ausschreiben zu müssen, wurde der pH-Wert eingeführt. Dieser ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Konzentration (genauer die Aktivität) der Hydroniumionen. Mathematisch ausgedrückt ist der pH-Wert wie folgt definiert.

$pH= -lg~c(H_3O^+)$

Mithilfe des Logarithmus zur Basis 10 (dekadisch) können Konzentrationsangaben vereinfacht werden. Exponenten können bei einem Logarithmus als Faktor nach vorn gestellt werden. Die $-4$ im Exponenten wandert also nach vorn. Durch das negative Vorzeichen des pH-Werts bleibt dann die 4 übrig. Der Logarithmus von 10 ergibt 1. Der pH-Wert einer Lösung mit $c(H_3O^+) = 10^{-4} \frac{mol}{l}$ ist also 4.

$pH= -lg~10^{-4} \frac{mol}{l}$

$pH= 4$

Für Basen erfolgt die Bestimmung auf dem gleichen Weg. Allerdings benutzt man hier die Konzentration der Hydroxid-Ionen und errechnet den pOH-Wert. Der dann mit untenstehender Formel in den pH-Wert umgerechnet werden kann.

$14=pH + pOH$

pH-Wert Messungen

Überaus wichtig für die Messung des pH-Wertes ist die pH-Wert-Skala. Sie beruht auf dem Autoprotolyse-Gleichgewicht des Wassers . Dieses entspricht folgender Reaktionsgleichung.

$2~H_2O \rightleftharpoons~H_3O^+ + OH^-$

Wasser geht also mit sich selbst eine Protolysereaktion ein. Dabei wird ein Wasserstoffion von einem Molekül auf das andere übertragen. Es entsteht ein Hydroniumion und ein Hydroxidion. Die dabei entstehenden Konzentrationen sind äußerst gering und für beide Ionen gleich hoch. Die Konzentration der Hydroniumionen sowie der Hydroxidionen beträgt $c= 10^{-7}~\frac{mol}{l}$. Berechnet man den pH-Wert daraus, ergibt sich pH=7. Dies ist die Mitte der pH-Skala und damit der Neutralpunkt. Die pH-Wert-Skala erstreckt sich also von 0 (sehr sauer) bis 14 (sehr basisch).

pH-wertskala.jpg

Eine Messung kann nun z.B. durch ein pH-Meter erfolgen. Dieses besitzt eine Kugel mit einer Glasmembran. In dieser befindet sich ein Elektrolyt. Wasserstoffionen neigen dazu sich an der Glasoberfläche an die Silikatgruppen anzulagern. Dadurch entsteht ein elektrochemisches Potential abhängig vom pH-Wert. Durch die Messung der galvanischen Spannung gegen eine Bezugselektrode, innerhalb des pH-Meters, kann so der pH-Wert der gemessenen Lösung bestimmt werden. Eine andere Art der Messung erfolgt durch Indikatoren. Diese zeigen eine spezifische Farbe für den jeweiligen pH-Wert an. So kann man ihn mit der dazugehörigen Skala für den Indikator ablesen.

Indikatoren

Indikatoren dienen in der Chemie dem Überwachen einer Reaktion oder der Feststellung eines Zustands. Für die pH-Wertbestimmung wird oft ein Universalindikator in Form von Papierstreifen verwendet. Diese werden in die zu untersuchende Lösung gehalten und dann mit der beiliegenden Farbskala verglichen, um den pH-Wert zu ermitteln. Diese Universalindikatoren, wie Unitest, sind Gemische aus mehreren Indikatoren. Häufig verwendete Indikatoren sind Phenolphthalein, Methylrot und Lackmus.

phenolphthalein.jpg

Indikatoren werden oft bei Titrationen eingesetzt. Für eine Säure-Base-Titration benötigt man einen pH-Indikator. Dieser zeigt bei einem bestimmten pH-Wert einen Farbumschlag an. Die ablaufende Reaktion dieses Umschlags kann man schematisch folgendermaßen darstellen.

$HInd + H_2O \longrightarrow~ Ind^- + H_3O^+$

Der Indikator gibt also bei einem bestimmten pH-Wert Protonen ab und ändert aufgrund dessen seine Farbe. Anhand des Umschlags kann dann der Äquivalenzpunkt identifiziert werden, der das Ende der Titration anzeigt.

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Arbeitsblätter zum Ausdrucken zum Thema pH-Wert und Indikatoren

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