2.6 Der pH-Wert 37 Alkalisch reagierende Seifen-Lösungen (V2) und Shampoos können die Augen reizen und die Haut angreifen. Mit der Aufschrift „pH-neutral“ wird angedeutet, dass das Produkt weder alkalisch noch sauer reagiert und folglich „schonend“ ist. Was heißt pH-neutral, was drückt der pHWert aus? Um zu wissen und angeben zu können, ob eine wässrige Lösung alkalisch und wie stark alkalisch reagiert (V1, V2, V3), oder ob eine Lösung sauer und wie stark sauer reagiert, muss es ein Maß für die Menge der Hydroxidbzw. Oxonium-Ionen in der Lösung geben. Wasser-Moleküle können bei Protolysen sowohl als Protonendonatoren als auch als Protonenakzeptoren wirken. Ob ein Wasser-Molekül als Protonendonator oder als -akzeptor wirkt, hängt davon ab, ob der Reaktionspartner eine größere oder eine kleinere Neigung als das Wasser-Molekül hat, Protonen abzugeben. Teilchen, die – wie das Wasser-Molekül – sowohl als Säure als auch als Base wirken können, nennt man Ampholyte1. Die geringfügige Leitfähigkeit von reinstem Wasser weist darauf hin, dass auch in diesem Ionen enthalten sind. Sie entstehen durch Autoprotolyse2 der Wasser-Moleküle zu Hydroxidund Oxonium-Ionen: H2O(l) + H2O(l) OH –(aq) + H3O +(aq) Säure Base Messungen haben ergeben, dass 1 l Wasser bei 22°C nur 1 ·10–7 mol Oxonium-Ionen bzw. 1 ·10–7 mol Hydroxid-Ionen enthält. Die Stoffmengenkonzentration c(X) eines gelösten Stoffes X ist der Quotient aus der Stoffmenge n(X) und dem Volumen der Lösung VLs(X) : c(X) = n(X)/VLs(X). Die Einheit ist mol/l. Beispiel: c(H3O +) = n(H3O +)/VLs(H3O +). Die Stoffmengenkonzentration (kurz die Konzentration) der Oxoniumund die der Hydroxid-Ionen in Wasser beträgt: c(H3O +) = c(OH–) =1 ·10–7 mol/l. Es liegt eine neutrale Lösung vor. In einer sauren Lösung ist die Konzentration der Oxonium-Ionen größer, in einer alkalischen Lösung ist die Konzentration der Oxonium-Ionen dagegen kleiner als 1 ·10–7 mol/l. Ob und wie stark eine wässrige Lösung sauer reagiert (LV4, V5, V6), ob sie neutral oder ob und wie stark sie alkalisch reagiert (V1, V2), ist durch den Wert der Konzentration der Oxonium-Ionen wiedergegeben (B4). Um sich das umständliche Sprechen und Schreiben der sehr kleinen Zahlen zu ersparen, wurde der pH-Wert3 eingeführt (B5). Den Betrag dieser Hochzahl bezeichnet man als pH-Wert der Lösung. Ist beispielsweise c(H3O +) = 1 ·10–2 mol/l, ist der pH-Wert 2. Der pH-Wert einer wässrigen Lösung nimmt in der Regel Zahlenwerte zwischen 0 und 14 an. B6 zeigt diese 14-stufige pH-Skala4. Die Konzentration an Oxonium-Ionen einer wässrigen Lösung gibt man durch den pH-Wert an. Die pH-Werte sind reine Zahlen. Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Schlüsselbegriffe Ampholyt, Stoffmengenkonzentration, pH-Wert 1 von amphoteros (griech.) = beiderseitig; 2 von au to (griech.) = selbst; 3 von pondus hydrogenii (lat.) = Gewicht des Wasserstoffs bzw. Masse der Wasserstoff-Ionen; 4 von scala (lat.) = Leiter, Treppe B6 pH-Wert und saure, neutrale bzw. alkalische Lösung B4 Zusammenhang zwischen der Konzentration der Oxonium-Ionen und der sauren bzw. basischen Lösung B5 Definition des pH-Werts: Der pH-Wert ist der mit -1 multiplizierte Zehnerlogarithmus des Zahlenwerts der Konzentration der Oxonium-Ionen, dabei ist die Einheit der Konzentration 1 mol/l. Das Symbol { } zeigt an, dass nur der Zahlenwert von c gemeint ist. (Der Logarithmus kann nur von einem Zahlenwert gebildet werden und hat nach den Regeln der Mathematik ein positives Vorzeichen.) c(H3O +) in mol/l 100 = 1 10–1 = 0,1 10–2 = 0,01 10–3 10–4 10–5 10–6 10–7 10–8 10–9 10–10 10–11 10–12 10–13 10–14 neutrale Reaktion zu n eh m en d sa u re Lö su n g zu n eh m en d al ka lis ch e Lö su n g c(H3O +) kleiner als c(OH–) c(H3O +) = c(OH–) c(H3O +) größer als c(OH–) pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Beispiele zu n eh m en d sa u re Lö su n g zu n eh m en d al ka lis ch e Lö su n g Magensaft Zitronensaft saurer Regen Mineralwasser natürlicher Regen dest. Wasser Darmsaft Seifen-Lösung c(HCl) = 1 mol/l c(NaOH) = 1 mol/l neutrale Reaktion pH = –1 · lg{c(H3O +)} N u r u P rü fz w e c k e n E ig n tu m d e s C .C . B u c h n e r V e rl a g s