Die Bedeutung des pH-Werts in der Natur wird einführend an Beispielen für Pflanzen erläutert, die auf sauren beziehungsweise basischen Böden gedeihen. Im Mittelpunkt der Folge stehen Protolysereaktionen, wobei im Einzelnen auf die Stärke von Säuren und Basen, die Autoprotolyse beim Wasser sowie auf den pH-Wert näher eingegangen wird. Der Beitrag gliedert sich in fünf Sequenzen.

Leitfähigkeit von Säuren

Gute elektrische Leitfähigkeit von verdünnter Salzsäure

Zunächst wird die Leitfähigkeit verschiedener Säuren beobachtet. Dabei sieht man, dass etwa verdünnte Salzsäure (HCl) eine bessere Leitfähigkeit besitzt als verdünnte Essigsäure (CH₃COOH) mit gleicher Stoffmengenkonzentration.

Geringe Leitfähigkeit von verdünnter Essigsäure

Da die Leitfähigkeit auf der Wanderung von Ionen beruht, müssen in den beiden Säuren unterschiedliche Mengen an Ionen vorhanden sein. Ein Reaktionsschema veranschaulicht, wie dies möglich ist:

Protolyse bei Salz- und Essigsäure - klicken Sie bitte auf die Lupe.

Protolysevorgänge sind Gleichgewichtsreaktionen zwischen Säuren und Basen, bei denen beispielsweise im Falle der Salzsäure das Gleichgewicht auf die Seite der Hydronium-Ionen, bei der Essigsäure auf die Seite der nicht protolysierten Säuremoleküle verschoben ist. Da aus diesem Grund bei der Salzsäure mehr Ionen vorhanden sind als bei der Essigsäure, leitet sie den Strom auch stärker.

Stärke von Säuren und Basen

Stärke von Säuren und Basen - klicken Sie bitte auf die Lupe.

Eine Modelldarstellung erläutert die Wirkung des Protonenaustausches zwischen einer Säure und einer Base: Je leichter eine Säure Protonen abgibt, desto stärker ist sie. Umgekehrt ist eine Base umso stärker, je intensiver sie Protonen anzieht.

Wasser als Ampholyt - - klicken Sie bitte auf die Lupe.

Durch einen Protonentausch wird eine starke Säure zu einer schwachen Base und eine starke Base zu einer schwachen Säure. Die Sequenz endet mit einer Zusammenstellung von Säuren und Basen in der Reihenfolge ihrer unterschiedlichen Stärke. Aus diesem Schema geht auch hervor, dass Wasser ein Ampholyth ist, da es sowohl als Säure als auch als Base auftreten kann.

Protolyse von Wasser

Auch destilliertes Wasser zeigt eine geringfügige Leitfähigkeit

Selbst reinstes, destilliertes Wasser zeigt eine geringe Leitfähigkeit, was darauf hinweist, dass darin Ionen vorhanden sein müssen. Diese entstehen durch eine Autoprotolyse, bei der aus Wassermolekülen von selbst Hydroxid- und Hydronium-Ionen entstehen.

Autoprotolyse beim Wasser

Diese Gleichgewichtsreaktion ist allerdings ganz stark auf die Seite der Wassermoleküle verschoben: 55 mol Wasser stehen nur 10^-7 mol Hydroxid-Ionen und dieselbe geringe  Menge Hydronium-Ionen gegenüber.

pH-Wert

Mathematische Festlegung des pH-Wertes

Die Hydroniumionen-Konzentration einer Flüssigkeit gibt an, ob sie sauer, basisch oder neutral ist. Der Neutralpunkt liegt bei 10^-7 mol / l. Ist der Wert höher, reagiert die Flüssigkeit sauer, ist er niedriger, reagiert sie basisch. Zur Vereinfachung versieht man den Exponenten mit einem positiven Vorzeichen und bezeichnet diesen als pH-Wert.

Der pH-Wert wird wie folgt mathematisch festgelegt: Er ist der mit –1 multiplizierte Zehnerlogarithmus des Zahlenwertes der Hydronium-Ionen-Konzentration.

Indikatoren

Umschlagpunkte (sauer/basisch) bei verschiedenen - klicken Sie bitte auf die Lupe.Indikatoren

Einige Säure-Base-Farbindikatoren zeigen durch einen Farbumschlag einen bestimmten pH-Wert an. Dieser Umschlagpunkt von sauer zu basisch (oder umgekehrt) liegt etwa beim Bromphenolblau bei pH = 4, beim Lackmus bei pH = 7 und beim Phenophthalein bei pH = 9.

Messung des ph-Werts mit Universalindikatorpapier

Die Mischungen verschiedener Farbindikatoren, sogenannte Universalindikatoren, zeigen – abhängig vom pH-Wert der zu untersuchenden Lösung – eine ganze Reihe unterschiedlicher Farbtöne.

Elektronisches pH-Meter

Diese Indikatoren, die es auch in Form von pH-Papieren gibt, machen relativ exakte pH-Messungen möglich. Experimentell kann der pH-Wert zudem auch auf elektrochemischem Wege mit einem sogenannten pH-Meter erfolgen.