pH-Wert – Grundlagen

Herzlich willkommen liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. Ich beginne zunächst mit einem Jubiläum, was im vorigen Jahr stattfand. Im Jahre 1909 kreierte der dänische Chemiker Søren Sørenson einen Begriff, den wir heute als pH-Wert bezeichnen, und damit sind wir schon mittendrin im Thema unseres heutigen Videos aus der Reihe Säuren, bereits Teil 9. Was hat es mit dem pH-Wert auf sich? Bevor wir zur Definition kommen, möchte ich versuchen, etwas über die Sinnfälligkeit dieser Größe zu sagen. Ich habe dazu aufgereiht einige Substanzen, die wir aus der Haushaltschemie sehr gut kennen. Das ist die Cola, das ist die Essigsäure, das ist Mineralwasser mit Kohlendioxid versetzt und als letztes schließlich destilliertes Wasser. So, man glaubt es nicht, aber Cola ist sauer. Kann man nachmessen, entweder mit Teststreifen oder mit einem pH-Meter und die Frage ist, wie viel von Wasserstoffionen, die man auch als Protonen bezeichnen kann, sind denn eigentlich dort enthalten? Die sinnvolle Mengenangabe in der Chemie wird immer ausgedrückt in Mol pro Liter. Das wären also mol/l. Wenn ich also von Konzentration spreche, meine ich immer: wie viel mol/l? So, und 1 mol, das sind etwa 1g/l von diesen Wasserstoffionen. Beginnen wir mit der Cola. Cola. Wenn ich bei Cola bin, dann hat Cola auf jeden Fall einen Anteil an Wasserstoffionen von 0,0001 mol/l. Als nächstes nehmen wir den Haushaltsessig. Naja, für Haushaltsessig gibt es typische Werte eines Gehalts an Wasserstoffionen in mol/l von Essig von etwa 0,00001 mol/l. Ist so, kann man so messen. Wie sieht es aus mit Mineralwasser? Nun ja, Mineralwasser zeigt auch schwache saure Eigenschaften, das heißt, wir haben auch hier einige Wasserstoffionen drin. Und ein typischer Wert wäre für Mineralwasser 0,000001 mol/l. Ist so, kann man so messen, ist ein vernünftiger Wert. Und ich gehe nun weiter und komme jetzt endlich an bei unserem destillierten Wasser. Destilliertes Wasser ist eigentlich reines Wasser. Nun werdet ihr sagen, wenn ihr euch noch nicht so viel befasst habt mit der Wasserchemie, sondern euch mehr auf die Säuren konzentriert habt: Na eigentlich dürfte destilliertes Wasser gar keine Wasserstoffionen enthalten. Das ist aber nicht so. Ich nenne euch jetzt mal den Wert, und der beträgt bei reinem Wasser 0,0000001 mol/l. Das sind experimentelle Werte, die typisch sind für diese 4 Haushaltschemikalien, sag ich jetzt mal. Und wenn wir uns das anschauen, von der Handhabbarkeit, geben Sie mir mal bitte 0,00000001 mol/l Wasserstoffionen, irgendwie redet man sich die Zunge fusslig. Aber es gibt jetzt einen Trick. Und worin besteht der Trick? Naja, wenn man ein bisschen sich befasst hat, sich mit Potenzen, dann kann man natürlich auch eine Potenzschreibweise wählen, um diese Zahlen auszudrücken. Nun ja, dann müssen wir folgendes machen. Wir nehmen eine Zehnerpotenz, und da die Stelle nach dem Komma ist, bezeichnen wir diesen Zahlenwert, jetzt kommt es, als 10^, 1, 2, 3, 4, als 10^, das ist wichtig, -4. Und beim Essig? 10^, und jetzt zählen, 1, 2, 3, 4, 5 - 10^-5. Und beim Mineralwasser? 1, 2 ,3, 4, 5, 6. Da haben wir 10^-6. Ja und beim Wasser, da sind ganze wenig Wasserstoffionen drin, da haben wir 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - 10^-7, ja? Und in jedem Fall ist es so, dass es sich hierbei handelt um mol/l, also ganz ganz wenig. Und jetzt sagt mal: Gefallen euch diese Zahlen? Also ich muss ganz ehrlich sagen: Ich habe damit meine Probleme. Also ich kann sie verstehen, aber zu sagen, ich hätte gerne 10^-irgendwas... das ist nicht toll, nicht? Und nun kommt unser Professor Sørenson auf den Plan und sagt: Tja. Wie können wir denn diese Zahlen einfacher, besser, handhabbarer gestalten? Ja da sagt der Herr Sørenson: Da machen wir doch einmal folgendes in der ganzen Sache. Wenn die hier oben stehen, ja dann gibt es doch so etwas wie die Logarithmengesetze. Und den Logarithmus, da machen wir doch einmal folgendes an der ganzen Geschichte. Dann nehmen wir doch die Werte, so wie sie sind, und setzen hier ganz einfach mal einen Logarithmus an. Also. Wir haben hier oben, dann sind das die Konzentrationen c, und wir arbeiten immer in mol/l. Ich sage das jetzt gar nicht mehr dazu. Das geht und in Fleisch und Blut über. Nicht g/l, immer mol/l. So. Und was ist jetzt der pH-Wert? Naja, eigentlich, diese 10 haben wir immer da, die können wir uns schenken. So. Dann haben wir hier -4, -5, -6, -7. Ja, das sieht doch schon besser aus, nicht? Das Minus ist immer gleich, also sind das offensichtlich immer kleine Werte. Nun ja, dann nehmen wir doch die 10 weg, das Minus weg, und dann haben wir 4, 5, 6, 7. Und wenn wir dann sagen könnten, wir hätten Werte von 4, 5, 6, und 7, na, das wäre doch einmal was. Dann machen wir das doch einmal. Dann sagen wir der pH-Wert beträgt in diesem Fall ganz einfach 4. Hier beträgt er ganz einfach 5, hier beträgt er ganz einfach 6,und hier beträgt er ganz einfach 7. Was haben wir denn jetzt eigentlich gemacht? Wir haben jetzt diese Konzentrationen gezwungen, eine neue Funktion zu bilden. Wir haben also hier - ein bisschen Mathematik muss auch sein - wir haben hier jetzt folgendes gemacht: Wir haben dieses c auf dieses Neue hier abgebildet, auf den pH-Wert. Was haben wir eigentlich gemacht? Wenn wir zum Beispiel nehmen 10^-4, ja? Ich nehme hier 10^-4, wie komme ich dann jetzt bei 10^-4 auf die 4? Naja, schaut mal. Ich könnte folgendes machen. Ich nehme einen Logarithmus, und zwar einen dekadischen Logarithmus, also Logarithmus zur Basis 10, und der bezieht sich jetzt auf 10^-4. Laut Logarithmengesetz kann ich jetzt diese -4 nach vorne bringen, vor den Logarithmus, ja? Mach ich mal. Also, ich schreibe: Logarithmus zur Basis 10 von 10 und den Exponenten, das haben wir ja gesagt, Logarithmengesetz, den kann man hier nach vorne bringen. Und wenn der nach vorne gebracht ist, steht hier also -4. Wunderbar. Und 2. Logarithmengesetz, bisschen Mathematik: Wir haben Logarithmus von 10 zur Basis 10, und das ist genau 1. So weit, so gut. Nun ist nur noch eine Sache dabei. Ich hätte gerne, jetzt hab ich das ja ausgerechnet, jetzt habe ich -4×1. Und ich hätte gerne nur eine 4. Minus, gesehen? Minus und hier kommt dann vor diese Stelle hier, vor die 4, auch noch ein Minus hin. Klar? Was habe ich eigentlich jetzt gemacht, um von c auf pH zu kommen? Ich habe pH jetzt so definiert: Was habe ich eigentlich gemacht? Ich habe den dekadischen Logarithmus gebildet zur Basis 10. Den dekadischen Logarithmus schreibt man eigentlich ganz gerne als lg. Als lg, also so: lg, also dekadischer Logarithmus, der Wasserstoffionenkonzentration, lgc. So. Damit wir wissen, dass es sich um Wasserstoffionen handelt, schreibe ich hier mal c H+ und hier auch c H+. Und das Minus, das wir hier vorne haben, dieses hier, ja, dieses hier, das muss hier vorne auch stehen, ja? Ist gleich. Und letztendlich kommt hier noch ein hübsches Kästchen rum und der pH-Wert ist kreiert. Das heißt, immer wenn wir eine bestimmte Konzentration haben, eine bestimmte Konzentration an Wasserstoffionen, können wir den pH-Wert bestimmen, indem wir zunächst den dekadischen Logarithmus bilden, lgc H+, Logarithmus zur Basis 10 und davor ein Minus schreiben. So kommen wir also von 10^-4 auf 4, von 10^-5 auf 5 und von 10^-6 auf 6 und 10^-7 auf 7. So, und ich werde das jetzt mal in einem Satz formulieren, wo die Formel hier da ist. Den schreiben wir aber nicht auf. Den werden wir im nächsten Video noch richtig schön formulieren, aber für heute soll uns das mal reichen. Also ich sag mal: Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. Jetzt wie immer großen Spaß dabei. Ich geh mal zur Seite, dann könnt ihr noch mal einen Blick darauf werfen. So, also dann bis zum nächsten Mal, alles Gute, tschüss.