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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 wie eine Säure mit dem pH=4.
 
 
Ungefähre pH-Werte gängiger Stoffe 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 Ammonium-Ionen und Nitrationen in den Böden bei pH=7 im Gleichgewicht. In sauren Böden überwiegen die Ammonium-Ionen und in alkalischen Böden die Nitrat-Ionen (>Stickstoffkreislauf). Manche Pflanzen wie das Torfmoos lieben eher saure Böden (pH=3-4), andere dagegen wie der Huflattich bevorzugen alkalische Böden (pH=8). Ein sehr niedriger pH-Wert in den Böden oder in den Seen begünstigt das Lösen von Metall-Ionen im Grundwasser. Dies kann Pflanzen oder den Wald erheblich schädigen.
 
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 etwa pH=2, damit es die Eiweiße aufspalten kann. Der Mundspeichel ist dagegen fast neutral. Das dort arbeitende Enzym Amylase spaltet die Stärke in kleinere Bausteine auf. Die Enzyme im Darm arbeiten wiederum nur im alkalischen Bereich von etwa 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 (>Neutralisation). Die Haut ist dann einer höheren Infektionsgefahr ausgesetzt. Es benötigt nach jedem Waschen mit Seife zwei bis drei Stunden, bis der natürliche Säureschutzmantel wieder hergestellt ist. Aus diesem Grund sollte man Seife nur bei stark verschmutzten Händen einsetzen oder generell eine pH-neutrale Seife verwenden.

 
pH-neutrale Seife
 
pH-neutrales Handwaschmittel
 
 
Beim Wäschewaschen mit Vollwaschmitteln ist eher ein hoher pH-Wert von pH=10 bis pH=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 wirken alkalisch, während sich alkoholische Seifenlösungen neutral verhalten. Der Indikator Phenolphthalein zeigt die alkalische Wirkung von Seife im Wasser an:
 
 
Seife in Alkohol
 
Seife mit Phenolphthalein in Alkohol (links) und in Wasser (rechts)
 
 

Erweiterte Definition

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
 
 
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