Säuren, Basen und die pH-Skala

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Säuren, Basen und die pH-Skala

Was bedeutet es, dass eine Lösung sauer oder basisch (alkalisch) ist?

Es hat alles mit Wasserstoffionen (abgekürzt mit dem chemischen Symbol H+) zu tun. Im Wasser (H2O) dissoziiert (spaltet sich auf) ein kleiner Teil der Moleküle. Einige der Wassermoleküle verlieren einen Wasserstoff und werden zu Hydroxid-Ionen (OH-). Die „verlorenen“ Wasserstoffionen verbinden sich mit Wassermolekülen und bilden Hydroniumionen (H3O+). Der Einfachheit halber werden Hydronium-Ionen als Wasserstoff-Ionen H+ bezeichnet. In reinem Wasser gibt es gleich viele Wasserstoffionen und Hydroxidionen. Die Lösung ist weder sauer noch basisch.

Eine Säure ist ein Stoff, der Wasserstoffionen abgibt. Wenn eine Säure in Wasser gelöst wird, verschiebt sich deshalb das Gleichgewicht zwischen Wasserstoff- und Hydroxidionen. In der Lösung befinden sich nun mehr Wasserstoffionen als Hydroxidionen. Diese Art von Lösung ist sauer.

Eine Base ist ein Stoff, der Wasserstoffionen aufnimmt. Wenn eine Base in Wasser gelöst wird, verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen Wasserstoff- und Hydroxid-Ionen in die entgegengesetzte Richtung. Da die Base Wasserstoffionen „aufsaugt“, entsteht eine Lösung mit mehr Hydroxidionen als Wasserstoffionen. Eine solche Lösung ist alkalisch.

Säure und Alkalinität werden mit einer logarithmischen Skala, dem pH-Wert, gemessen. Das ist der Grund: Eine stark saure Lösung kann hundert Millionen oder hundert Billionen (100.000.000.000.000) Mal mehr Wasserstoffionen enthalten als eine stark basische Lösung! Die Kehrseite ist natürlich, dass eine stark basische Lösung 100.000.000.000.000 Mal mehr Hydroxidionen enthalten kann als eine stark saure Lösung. Außerdem können die Wasserstoff- und Hydroxidionenkonzentrationen in alltäglichen Lösungen in diesem gesamten Bereich variieren.

Um mit diesen großen Zahlen leichter umgehen zu können, verwenden Wissenschaftler eine logarithmische Skala, die pH-Skala. Jede Änderung um eine Einheit auf der pH-Skala entspricht einer zehnfachen Änderung der Wasserstoffionenkonzentration. Die pH-Skala ist theoretisch unbegrenzt, aber die meisten pH-Werte liegen im Bereich von 0 bis 14. Es ist viel einfacher, eine logarithmische Skala zu verwenden, als immer all diese Nullen aufschreiben zu müssen! Übrigens, ist dir aufgefallen, dass hundert Millionen Millionen eine Eins mit vierzehn Nullen dahinter sind? Das ist kein Zufall, sondern Logarithmus!

Um genauer zu sein, ist der pH-Wert der negative Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration:

Die eckigen Klammern um das H+ bedeuten für einen Chemiker automatisch „Konzentration“. Die Gleichung bedeutet genau das, was wir vorher gesagt haben: für jede Änderung des pH-Wertes um eine Einheit ändert sich die Wasserstoffionenkonzentration um das Zehnfache. Reines Wasser hat einen neutralen pH-Wert von 7. pH-Werte unter 7 sind sauer, und pH-Werte über 7 sind alkalisch (basisch). Tabelle 1 enthält Beispiele für Stoffe mit unterschiedlichen pH-Werten (Decelles, 2002; Environment Canada, 2002; EPA, Datum unbekannt).