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pH-Wert
Beim Halten von Fischen im Aquarium muss
ein bestimmter pH-Wert eingehalten werden. Dabei wird die Konzentration
an Säure oder Lauge mit Hilfe eines pH-Streifens gemessen.
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Messen des pH-Wertes
mit einem Teststreifen
Beim pH-Teststreifen handelt es sich um
ein auf Papierstreifen aufgetragenen Indikator,
der sich um so mehr nach Rot verfärbt, je mehr Säure
im Wasser enthalten ist. Bei Laugen verfärbt
sich das Papier blau. Die Abstufung der Färbung entspricht einer Skala,
die auch als pH-Skala bezeichnet wird:
Der Ausgangspunkt der Skala ist neutrales
Wasser, das bei 25°C immer pH=7 besitzt. Werte unterhalb von pH=7 zeigen
Säuren an, Werte oberhalb von pH=7 Laugen, bzw. Alkalien. Je kleiner
der pH-Wert, um so stärker ist die vorhandene Säure. Die Skala
ist so abgestuft, dass pro Wert die Säurestärke um den Faktor
10 zunimmt. Eine Säure mit dem pH=3 ist zehnmal so stark als eine
Säure mit dem pH=4.
Ungefähre pH-Werte
von gängigen Stoffen und Chemikalien:
|
Salzsäure 35%:
|
pH = -1
|
Bier:
|
pH =
5
|
|
Salzsäure 3,5%:
|
pH =
0
|
Hautoberfläche:
|
pH =
5,5
|
|
Salzsäure 0,35%:
|
pH =
1
|
Mineralwasser:
|
pH =
6
|
|
Magensäure:
|
pH =
2
|
reines Wasser:
|
pH =
7
|
|
Zitronensaft:
|
pH =
2
|
Blut:
|
pH =
7,4
|
|
Essigessenz:
|
pH =
2
|
sauberes Seewasser:
|
pH =
8,3
|
|
Essig:
|
pH =
3
|
Darmsaft:
|
pH =
8,3
|
|
Coca Cola:
|
pH =
3
|
Waschmittellösung:
|
pH = 10
|
|
Wein:
|
pH =
4
|
Natronlauge 3%:
|
pH = 14
|
|
saure Milch:
|
pH =
4,5
|
Natronlauge 30%:
|
pH = 15
|
Der pH-Wert im Boden beeinflusst den Nährstoffhaushalt
der Pflanzen. Normalerweise stehen Ammoniumionen und Nitrationen in den
Böden bei pH=7 im Gleichgewicht. In sauren Böden überwiegen
die Ammoniumionen und in alkalischen Böden die Nitrationen (vgl. auch
Stickstoffkreislauf). Manche Pflanzen lieben
eher saure Böden (z.B. Torfmoos pH=3-4), andere dagegen bevorzugen
alkalische Böden (z.B. Huflattich pH=8). Ein sehr niedriger pH-Wert
in den Böden (oder in den Seen) verursacht, dass giftige Metallionen
in eine lösliche Form übergehen. Dies kann die Pflanzen erheblich
schädigen (vgl. Waldsterben).
Auch im menschlichen Körper spielt
der pH-Wert eine bedeutende Rolle. Der pH-Wert steht in unmittelbarem Zusammenhang
mit dem Aufnahmevermögen des Sauerstoffs im Blut. Das Hämoglobin
in den roten Blutkörperchen kann umso mehr Sauerstoff binden, je höher
der pH-Wert ist.
Der pH-Wert im menschlichen Magen liegt
im sauren Bereich. Die Enzyme zur Verdauung funktionieren nur bei bestimmten
pH-Werten. Das Pepsin im Magen benötigt einen pH-Wert von ca. pH=2,
damit es die Eiweiße aufspalten kann. Der Mundspeichel hat einen
fast neutralen Wert. Das dort arbeitende Enzym Amylase spaltet die Stärke
in kleinere Bausteine auf. Die Enzyme im Darm arbeiten wiederum nur im
alkalischen Bereich von ca. pH=8.
Die Hautoberfläche des Menschen besitzt
einen ungefähren pH-Wert von 5,5. Dieser natürliche Säureschutzmantel
der Haut hemmt das Wachstum von Bakterien und verhindert ihr Eindringen.
Die normale Seife liegt mit pH=9 im alkalischen Bereich. Beim Waschen mit
Seife wird daher die Säure auf der Haut neutralisiert (vgl. >Neutralisation).
Sie ist in dieser Zeit einer höheren Infektionsgefahr ausgesetzt.
Die Haut benötigt nach jedem Waschen mit Seife 2-3 Stunden, bis der
natürliche Säureschutzmantel wieder hergestellt ist. Aus diesem
Grunde sollte man Seife nur bei stark verschmutzten Händen einsetzen
oder generell eine pH-neutrale Seife verwenden.
pH-neutrales Handwaschmittel
Beim Wäschewaschen mit Vollwaschmitteln
ist eher ein hoher pH-Wert von ca. pH=10-11 notwendig, damit die Tenside
und die in den Waschmitteln enthaltenen Wirkstoffe voll zur Entfaltung
kommen. Beim schonenden Waschen mit Feinwaschmitteln ist der pH-Wert niedriger,
dadurch sinkt aber auch die Waschleistung. Wässrige Seifenlösungen
sind alkalisch, während alkoholische Seifenlösungen sich neutral
verhalten. Der Indikator Phenolphthalein
zeigt die alkalische Wirkung von Seife an:
Seife mit Phenolphthalein
in Alkohol (links) und in Wasser (rechts)
Erweiterte Definition
für Fortgeschrittene:
Der pH-Wert ist genau genommen eine Maßzahl,
die angibt, wie hoch die Konzentration an H3O+-Ionen
[H3O+] in einer
wässrigen Lösung ist. Sie wird durch den negativ dekadischen
Logarithmus der H3O+-Ionen-Konzentration ausgedrückt:
pH = - log [H3O+]
Beispiel: In reinem Wasser befinden sich
immer 10-7 mol/l an H3O+-Ionen (und auch
an OH--Ionen). Dies ergibt sich aus dem
Ionenprodukt des Wassers. Wasser selbst wirkt also immer in geringem Umfang
als Säure (oder als Base).
Diese Eigenschaft wird als Autoprotolyse des Wassers bezeichnet. Nun wird
die Konzentration der H3O+-Ionen im Wasser in die
Gleichung zur Berechnung des pH-Werts eingesetzt:
pH = - log [10-7]
= -(-7) = 7
Dadurch ergibt sich ein pH-Wert von 7
für Wasser. Der pOH-Wert gibt die Konzentration an OH--Ionen
im Wasser an. Für alle Säuren und Laugen lässt sich demnach
immer ein pH-Wert und ein pOH-Wert berechnen. Die Summe der beiden Werte
ergibt immer 14:
pH + pOH = 14
Die folgenden Tabelle zeigt die Beziehung
zwischen dem pH-Wert und dem pOH-Wert in Abhängigkeit von der vorliegenden
Konzentration:
|
Lösung
|
[H3O+]
|
pH-Wert
|
[OH-]
|
pOH-Wert
|
|
10 mol/l Säure
|
10 mol/l
|
-1
|
10-15
mol/l
|
15
|
|
1 mol/l Säure
|
1 mol/l
|
0
|
10-14
mol/l
|
14
|
|
reines Wasser
|
10-7 mol/l
|
7
|
10-7 mol/l
|
7
|
|
1 mol/l Base
|
10-14
mol/
|
14
|
1 mol/l
|
0
|
|
10 mol/l Base
|
10-15
mol/l
|
15
|
10 mol/l
|
-1
|
Moderne pH-Messgeräte bestehen aus
einer Elektrode und der Zentraleinheit. An der Elektrode wird eine Spannung
erzeugt, die vom pH-Wert abhängt. Die Zentraleinheit rechnet die Spannung
in den pH-Wert um.
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pH-Messgerät der
Metrohm AG mit Zentraleinheit und Elektrode
Vor einer Messung muss das Gerät
kalibriert werden. Normalerweise führt dies im Labor ein Laborant
am Beginn jeden Tages einmal durch. Dazu werden zwei Pufferlösungen
mit unterschiedlichen pH-Werten verwendet. Zunächst misst man den
pH-Wert in der ersten Pufferlösung (pH=4). Dann spült man die
Elektrode mit destilliertem Wasser ab und misst den pH-Wert mit der zweiten
Pufferlösung (pH=7). Mit Hilfe einer Taste wird der angezeigte pH-Wert
korrigiert, bis er mit dem pH-Wert der Pufferlösungen übereinstimmt.
Es ist zu berücksichtigen, dass der angezeigte pH-Wert temperaturabhängig
ist. Für genaue Messungen arbeitet man daher mit exakt eingestellten
Wassertemperaturen.
Weitere Informationen:
pH-Indikatoren