Was bedeutet der pH-Wert von Wasser eigentlich genau?

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Der pH-Wert von Wasser ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Hydroxonium-Ionen-Konzentration. Er gibt an, wie sauer oder alkalisch eine wässrige Lösung ist. Wenn Du denkst, dass Du jetzt nicht weiterlesen brauchst, weil schon der erste Satz nur aus Fremdwörtern besteht, können wir Dich beruhigen. Der pH-Wert von Wasser wird im Folgenden Schritt für Schritt erläutert und in seiner Bedeutung für das alltägliche Leben vorgestellt.

Wasser und das natürliche Dissoziationsgleichgewicht

Reines Wasser besteht aus Wassermolekülen. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Das chemische Symbol für Wasserstoff ist H, das Symbol für Sauerstoff ist O, sodass ein Wassermolekül auch als H₂O geschrieben werden kann. In der Natur ist es allerdings nichts so richtig einfach. Das führt dazu, dass in reinem Wasser ein sehr geringer Anteil der Moleküle als sogenannte Ionen vorliegt. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Im Fall von Wasser entstehen diese Ionen, indem ein Wassermolekül ein positiv geladenes Wasserstoff-Teilchen H⁺ auf ein anderes Wassermolekül überträgt. Aus zwei Wassermolekülen entsteht somit ein negativ geladenes Hydroxid-Ion OH^– und ein positiv geladenes Hydroxonium-Ion H₃O⁺. Letzteres ist entscheidend für die Definition des pH-Wertes in Wasser. Du kannst diese Reaktion, die auch Dissoziation genannt wird, als Gleichung schreiben:

2 H₂O ↔ OH^– + H₃O⁺

Der Pfeil in beide Richtungen deutet an, dass die Reaktion dynamisch ist und andauernd in beide Richtungen abläuft. Es liegt jedoch ein Gleichgewicht vor. Das heißt, die Konzentrationen aller Reaktionspartner bleiben über die Zeit konstant.

Konzentrationen in reinem Wasser / destilliertem Wasser

Die Konzentration von gelösten Stoffen in Wasser wird in mol/l angegeben. Was ein Liter ist, ist klar, das ist eine Volumeneinheit. Mol ist eine Stoffmengeneinheit. Ein Mol besteht aus 6,023*10²³ Teilchen (also eine Zahl mit 24 Stellen). Die Größe wurde eingeführt, damit man mit einfacheren Zahlenwerten hantieren kann. Ein Liter Wasser enthält etwa 56 Mol Wassermoleküle. Wie schon gesagt, ist der Anteil der dissoziierten Moleküle, der geladenen Ionen, in reinem Wasser sehr klein. Es liegen genauso viel Hydroxid- wie Hydroxonium-Ionen vor, nämlich jeweils 0,0000001, also 10^-7 mol/l. Reines Wasser (frisch destilliertes Wasser oder VE-Wasser) ist zunächst neutral, d.h. der pH-Wert ist 7. Du kommst auf diesen Wert, indem Du den dekadischen Logarithmus (dekadisch heißt zur Basis 10) der H₃O⁺-Konzentration bildest. Im Fall von 10^-7 ist das einfach, es ist -7. Dann muss nur der negative Wert davon gebildet werden, d.h. das Minus verschwindet und übrig bleibt die 7. Fertig ist der pH-Wert von neutralem Wasser.

Wie verschiebt sich der pH-Wert in Wasser?

Wenn Du saure Gase (z.B. Wasserstoffchlorid HCl) oder alkalische Verbindungen (z.B. Natriumhydroxid NaOH) in Wasser löst, ändert sich der pH-Wert, weil das Gleichgewicht von Hydroxid- und Hydroxonium-Ionen in eine bestimmte Richtung verschoben wird. Dazu ist es wichtig zu verstehen, dass das Produkt der beiden Ionen-Konzentrationen immer eine Konstante ist. Bei neutralem Wasser errechnet sich dieses Produkt aus 10^-7 mol/l * 10^-7 mol/l = 10^-14 mol²/l².

Zwei Rechenbeispiele zum pH-Wert in Wasser

• Wenn Du also 1 Mol HCl in einem Liter Wasser löst, entstehen in Reaktion mit einem Mol Wassermolekülen 1 Mol H₃O⁺-Ionen und 1 Mol Chlorid-Ionen (Cl^–) und es liegt eine 1-molare Salzsäure vor. Im gleichen Zug geht die OH^–-Konzentration auf 10^-14 mol/l zurück. Das Produkt aus 1 mol/l * 10^-14 mol/l ist wiederum 10^-14 mol²/l². Der pH-Wert von 1-molarer Salzsäure ist 0 (der dekadische Logarithmus von 1, also 10⁰, ist 0).
• In einem anderen Beispiel löst Du 0,01 Mol NaOH in Wasser, d.h. es entsteht eine Natronlauge mit 0,01 mol/l (oder 10^-2mol/l) Hydroxid-Ionen. Die Hydroxonium-Ionen-Konzentration geht damit auf 10^-12 mol/l zurück, was gleichbedeutend mit einem pH-Wert von 12 ist. Der pH-Wert von Wasser bewegt sich also typischerweise zwischen 0 und 14, niedrige Werte stehen für eine saure Lösung, hohe Werte für eine alkalische Lösung.

Kann man den pH-Wert von Wasser messen oder bestimmen?

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, den pH-Wert von Wasser zu bestimmen. Dies sind der Gebrauch von Indikatoren oder der Einsatz von Potentiometrie. Bei vielen Anwendungen ist der genaue pH-Wert gar nicht so entscheidend, sodass in vielen Laboren noch Farbstoff-Indikatoren eingesetzt werden, die je nach pH-Wert-Bereich eine unterschiedliche Färbung annehmen. So gibt es einige Klassiker:

• Lackmus wird bei pH < 4,5 rot und bei pH > 8,3 blau.
• Phenolphtalein wird bei pH < 8,2, farblos und bei pH > 10,0 rot-violett.
• Methylorange wird bei pH < 3,1 rot und bei pH > 4,4 gelb.
• Bromthymolblau wird bei pH < 6,0 gelb und bei pH > 7,6 blau.

Zur genaueren Bestimmung eignen sich Universalindikatoren, die aus Mischungen einzelner Indikatoren bestehen und über den gesamten pH-Bereich spezifische Färbungen annehmen, sodass mittels einer Farbvergleichsskala eine genauere Bestimmung des pH-Werts in Wasser möglich ist.

Handelsübliche pH-Wert Messgeräte für das Wasser zu Hause

Die meisten recht günstigen Messgeräte für den Hausgebrauch beruhen auf dem Prinzip der Potentiometrie. Dazu wird zunächst eine Pufferlösung benötigt. Das ist eine Lösung mit einem stabilen pH-Wert, der sich auch nicht ändert, wenn Du Fremdbestandteile hineinmischst. Diese Pufferlösung befindet sich in einer Glasmembrankugel, die zwecks Messung in die zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht wird. Die positiv geladenen Hydroxonium-Ionen lagern sich in dünnen Schichten an die Silikatgruppen der Glasoberfläche an. Dies geschieht auf beiden Seiten der Membran in unterschiedlichem Maße. Je nach pH-Unterschied zwischen der Puffer- und der Messlösung baut sich eine galvanische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Kugel auf. Zwei Bezugselektroden, eine in der Kugel und die andere in der Messlösung, können diese sogenannte Quellenspannung messen und in den pH-Wert der Messlösung umrechnen.

Was bedeutet der pH-Wert von Wasser für das Alltagsleben?

Der pH-Wert von Wasser spielt bei vielen alltäglichen und natürlichen Vorgängen eine große Rolle.

• Für viele Pflanzen ist der pH-Wert im Boden wichtig für die Nährstoffaufnahme. Pflanzen, die ihren Stickstoffbedarf eher über Nitrat abdecken, brauchen alkalische Böden. Pflanzen, die Stickstoff über Ammonium aufnehmen, brauchen eher saure Böden.
• Das Blut des Menschen ist ziemlich genau auf einen pH-Wert von 7,35 bis 7,45 eingestellt. Magensäure ist extrem sauer, die Haut ist mit einem Wert von 5,5 leicht sauer (Säureschutzmantel), was bei der Herstellung von Waschlotionen und Kosmetik Berücksichtigung finden muss.

Der pH-Wert in Trinkwasser und Co.

Laut Trinkwasserverordnung muss trinkbares Wasser aus der Leitung einen pH-Wert von 6,5 bis 9,5 aufweisen. Kalkhaltiges oder hartes Wasser aus der Leitung hat zumeist leicht erhöhte pH-Werte, ist also alkalisch. Wasser mit einem pH-Wert von 5 oder 5,5 ist durchaus trinkbar, aber zu saures Wasser kann Schwermetalle aus der Leitungswand herauslösen, was bei Blei- und Kupferrohren Vergiftungen auslösen kann. Jedoch wird nicht nur Leitungswasser getrunken, auch andere Wässer sind von Interesse.

• Der pH-Wert von Grundwasser kann über Düngung (Ausbringung von Nitrat) teilweise entscheidend so beeinflusst werden, dass es nicht mehr als Trinkwasser nutzbar ist.
• Natürliches Grund- und Brunnenwasser kann pH-Werte zwischen 5,5 und 8,5 aufweisen. Es kommt auch in die Leitung und sollte regelmäßig auf seinen pH-Wert überprüft werden, um sicherzustellen, dass das Wasser getrunken werden kann.
• Mineralwässer gibt es mit und ohne Kohlensäure. Ohne Kohlensäure sind sie eher pH-neutral, mit Kohlensäure leicht sauer. Die Kohlensäure liegt nur in geringem Anteil als echte Säure vor, sondern größtenteils als gelöstes Kohlendioxid. Deswegen ist der pH-Wert dieser Wässer nur leicht sauer und liegt meist bei etwa 6. Das ist soweit ok, weil aus den Flaschen keine Schwermetalle herausgelöst werden.
• Beachte, dass auch destilliertes Wasser mit der Zeit Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt, und leicht sauer wird.
• Gießwasser sollte teilweise leicht sauer sein, weil bestimmte Pflanzen solch ein Wasser brauchen. Daher kann durch Zugabe von Säure der pH-Wert gesenkt werden, wobei aber mit Vorsicht gearbeitet werden sollte. Zu saures Wasser ist auch nicht gut.
• Aquariumwasser sollte pH-technisch auf die Fischsorten eingestellt werden. Unterschiedliche Fische haben unterschiedliche Vorlieben.

Der pH-Wert von Wasser begleitet uns überall

Der Einstieg in die Definition ist zugegebenermaßen nicht ganz einfach. Aber wichtig beim pH-Wert von Wasser ist dann ja auch hauptsächlich, dass Du die Werte zu interpretieren weißt. 7 ist neutral, kleinere Werte stehen für sauer, größere Werte für alkalisch. Und es ist auch wichtig zu wissen, dass sauer nicht immer böse ist, sondern dass der pH-Wert von Wasser gerade in der Natur immer auch einem physiologischen Zweck dient.