pH steht für potenziellen Wasserstoff, wobei das „p“ für potenziell und das „H“ für Wasserstoff steht. Die pH-Skala ist eine Skala, die verwendet wird, um den relativen Basen- oder Säuregehalt von Substanzen im Vergleich zu anderen Substanzen einzustufen, basierend auf der Menge an Wasserstoffionenaktivität in einer Substanz.

Die Skala ist logarithmisch aufgebaut, was bedeutet, dass jeder ganze pH-Wert eine Veränderung um das Zehnfache des vorherigen Wertes darstellt. Die pH-Skala basiert auf dem pH-Wert 7, der neutral ist und Stoffe repräsentiert, die weder eine Säure noch eine Base sind.

Die Grundlage für die pH-Skala

Auch wenn Sie mit den Konzepten von Säuren und Basen nicht so vertraut sind, haben Sie sicherlich einige Berührungspunkte mit ihnen. Basische Stoffe sind z. B. Backpulver, während saure Stoffe z. B. Orangensaft und Soda sind. Die Einteilung der Stoffe in Basen und Säuren basiert auf der Wasserstoffionenkonzentration, die der Stoff aufweist. Das H in pH steht für den Grad der Wasserstoffionenaktivität in einer bestimmten Lösung. Man kann also saure und basische Lösungen folgendermaßen definieren:

Eine saure Lösung ist eine Lösung, deren Wasserstoffionenkonzentration höher ist als die von reinem Wasser (das den neutralen Wert von sieben hat). Eine basische Lösung hingegen hat eine geringere Wasserstoffionenkonzentration als Wasser.

Da reines Wasser als neutraler Punkt auf der pH-Skala fungiert, wollen wir uns die Eigenschaften von Wasser ansehen und sie in den Kontext der Wasserstoffionen stellen. Die Ionisierung von Wasser bezieht sich darauf, dass ein kleiner Prozentsatz der Wassermoleküle in einer bestimmten Menge Wasser spontan Wasserstoffionen erzeugt, wenn sie dissoziieren oder in kleinere Teilchen zerfallen. Dies wird manchmal auch als Autoionisation bezeichnet. Der Prozess der Autoionisierung erzeugt eine gleiche Anzahl von Hydroxid- (OH-) und Wasserstoffionen (H+). Beachten Sie, dass sich die Wasserstoffionen in der Regel direkt mit einem nahe gelegenen Wassermolekül verbinden, um Hydronium (H3O+) zu bilden. Das bedeutet, dass im Wasser nicht wirklich ein Haufen Wasserstoffionen herumschwimmt. Dennoch verwenden Wissenschaftler die Ionisierung von Wasser und die dabei entstehenden Wasserstoffionen, um eine Skala zu erstellen, die den Vergleich des Wasserstoffgehalts in anderen Lösungen ermöglicht. Die Hydroxidionen schwimmen in der Regel einfach in der Lösung herum, im Gegensatz zu den Wasserstoffionen.

Die Anzahl der durch Autoionisation erzeugten Wasserstoffionen entspricht 1 x 10^-7 M (unter der Annahme, dass es sich um reines Wasser handelt). Die Notation bezieht sich auf Mol pro Liter Wasser. Die Anzahl der ionisierten Wassermoleküle ist ein unglaublich kleiner Prozentsatz der Gesamtzahl der Wassermoleküle, die in jeder Menge reinen Wassers zu finden sind.

Saure Lösungen und basische Lösungen

Nachdem wir nun einen Bezugspunkt für die Basizität und den Säuregrad von Lösungen festgelegt haben, können wir erörtern, wie Säuren und Basen definiert werden. Saure Lösungen sind solche, die eine höhere H+-Konzentration als reines Wasser haben, während basische Lösungen solche sind, die eine niedrigere H+-Konzentration als reines Wasser haben. Anders ausgedrückt:

Base = H+-Konzentration < 1 x 10^-7 M

Säure = H+-Konzentration > 1 x 10^-7 M

Die Wasserstoffionenkonzentration in einer Lösung wird in der Regel als pH-Wert angegeben, der als inverser Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration für die betreffende Lösung berechnet wird.

pH = -log10

Setzt man also die Wasserstoffionenkonzentration von Wasser in diese Formel ein, erhält man einen Wert von 7,0, also den neutralen pH-Wert auf der pH-Skala. Wie Sie sich vielleicht denken können, haben Stoffe, die hauptsächlich aus Wasser bestehen, wie das Zytosol in Zellen oder das Blut im menschlichen Körper, pH-Werte, die sehr nahe an der neutralen Sieben liegen. Säuren und Basen können einer wässrigen Lösung zugesetzt werden, wodurch sich die Konzentration dieser Lösung vom neutralen pH-Wert wegbewegt. Basen erhöhen den pH-Wert in der Regel durch die Einführung von Hydroxid in die Umgebung, das die Wasserstoffionen auffängt und aus der Lösung herauszieht. Saure Substanzen hingegen erhöhen die Wasserstoffionenkonzentration, indem sie dissoziieren und eines ihrer Wasserstoffatome in die Lösung einbringen.

Je stärker die Säure ist, desto schneller wird sie abgebaut und H+ freigesetzt. Ein Beispiel für eine starke Säure ist HCl, die in Verbindung mit Wasser schnell und vollständig in Chlorid- und Wasserstoff-Ionen dissoziiert. Im Gegensatz dazu dissoziieren schwache Säuren wie Essig nicht vollständig. Eine stark basische Substanz setzt Hydroxidionen frei, die in der Lage sind, H+ zu absorbieren, wenn sie mit Wasser in Berührung kommt, und zerfällt vollständig, ähnlich wie eine stark saure Substanz. Ein Beispiel für eine starke Base ist Natriumhydroxid.

Stärke der pH-Skala

Wie bereits erwähnt, hilft die pH-Skala bei der Einordnung verschiedener chemischer Zusammensetzungen in Bezug auf ihre Basizität (auch Alkalinität genannt) und ihren Säuregrad. Die logarithmische Natur der Skala bedeutet, dass jeder Anstieg um eine pH-Einheit eine Verzehnfachung der H+-Konzentration zur Folge hat. Es gibt zwar einige Stoffe, die außerhalb des pH-Bereichs von 0 bis 14 liegen können, aber die meisten Lösungen fallen in diesen Bereich, weshalb die pH-Skala in der Regel von 0 bis 14 reicht, wobei basische Stoffe jeden Wert über 7 und saure Stoffe jeden Wert unter neutral 7 haben.

Stoffe, die am äußersten Ende der pH-Skala liegen, also entweder extrem basische oder extrem saure Stoffe, können für organisches Material sehr schädlich sein und Zellen erheblich schädigen. Sowohl stark basische als auch stark saure Stoffe können ätzend sein und das Gewebe des Menschen schädigen. Der pH-Wert der Lösung sowie die Menge der Lösung, der man ausgesetzt ist, und die Dauer, die man ihr ausgesetzt ist, sind alles Faktoren, die bestimmen, wie viel Schaden die Substanz anrichten wird. Sie haben vielleicht schon bemerkt, dass die Magensäure, also Ihre Magensäure, eine stark saure Substanz ist. Wie schützt sich Ihr Körper vor dieser Säure? Es gibt bestimmte Magenzellen, die speziell dafür geschaffen wurden, um als Barriere zwischen der Magensäure und den anderen Zellen im Körper zu fungieren, die ständig neu gebildet und geopfert werden.

Beispiele

Einige Beispiele für gängige Lösungen und die pH-Werte, die sie besitzen, sind:

1. Milch – leicht sauer mit einem pH-Wert von etwa 6,5.
2. Regen – leicht sauer mit einem pH-Wert von etwa 5,5.
3. Kaffee – leicht sauer mit einem pH-Wert von etwa 4.8.
4. Tomatensaft – leicht sauer mit einem pH-Wert von etwa 3,0
5. Batteriesäure – stark sauer mit einem pH-Wert von etwa 1,0.
6. Blut – leicht basisch mit einem pH-Wert von etwa 7,3
7. Meerwasser – leicht basisch mit einem pH-Wert von etwa 8.0.
8. Backpulver – leicht basisch mit einem pH-Wert von etwa 8.0.
9. Magnesiamilch – mäßig basisch mit einem pH-Wert von etwa 10.6
10. Lauge – stark basisch mit einem pH-Wert von etwa 13.5