15.4: pH-Skala

Hydronium- und Hydroxidionen sind sowohl in reinem Wasser als auch in allen wässrigen Lösungen vorhanden, und ihre Konzentrationen sind umgekehrt proportional, wie sie durch das Ionenprodukt des Wassers (K_w) bestimmt werden. Die Konzentrationen dieser Ionen in einer Lösung sind oft kritische Determinanten für die Eigenschaften der Lösung und das chemische Verhalten ihrer anderen gelösten Stoffe. Zwei verschiedene Lösungen können sich in ihren Hydronium- oder Hydroxid-Ionenkonzentrationen um das Millionen-, Milliarden- oder sogar Billionenfache unterscheiden. Ein gängiges Mittel zur Angabe von Größen, die sich über viele Größenordnungen erstrecken können, ist die Verwendung einer logarithmischen Skala. Der pH-Wert einer Lösung ist daher wie folgt definiert, wobei [H₃O⁺] die molare Konzentration des Hydroniumions in der Lösung ist:

Wenn Sie diese Gleichung neu anordnen, um die Molarität der Hydronium-Ionen zu isolieren, erhalten Sie den äquivalenten Ausdruck:

Ebenso kann die Molarität des Hydroxidions als p-Funktion oder pOH ausgedrückt werden:

oder

Schließlich lässt sich die Beziehung zwischen diesen beiden Ionenkonzentrationen, ausgedrückt als p-Funktionen, leicht aus dem K_W-Ausdruck ableiten:

Bei 25 °C beträgt der Wert von K_W 1,0 × 10⁻¹⁴, also:

Die Molarität der Hydronium-Ionen in reinem Wasser (oder einer neutralen Lösung) beträgt 1,0 × 10⁻⁷ M bei 25 °C. Der pH-Wert und pOH einer neutralen Lösung bei dieser Temperatur betragen daher:

Bei dieser Temperatur sind saure Lösungen solche mit Hydroniumionenmolaritäten von mehr als 1,0 × 10⁻⁷ M und Hydroxidionenmolaritäten von weniger als 1,0 × 10⁻⁷ M (entsprechend pH-Werten von weniger als 7,00 und pOH-Werten von mehr als 7,00). Basische Lösungen sind solche mit Hydroniumionenmolaritäten von weniger als 1,0 × 10⁻⁷ M und Hydroxidionenmolaritäten von mehr als 1,0 × 10⁻⁷ M (entsprechend pH-Werten von mehr als 7,00 und pOH-Werten von weniger als 7,00).

Da die Autoionisationskonstante K_W temperaturabhängig ist, sind diese Korrelationen zwischen den pH-Werten und den Adjektiven sauer/neutral/basisch bei anderen Temperaturen als 25 °C unterschiedlich. Zum Beispiel beträgt die Hydroniummolarität von reinem Wasser bei 80 °C 4,9 × 10⁻⁷ M, was den pH- und pOH-Werten entspricht:

Bei dieser Temperatur weisen neutrale Lösungen einen pH-Wert = pOH = 6,31 auf, saure Lösungen einen pH-Wert von weniger als 6,31 und pOH von mehr als 6,31, während basische Lösungen einen pH-Wert von mehr als 6,31 und pOH von weniger als 6,31 aufweisen. Diese Unterscheidung kann wichtig sein, wenn bestimmte Prozesse untersucht werden, die bei anderen Temperaturen ablaufen, wie z. B. Enzymreaktionen in warmblütigen Organismen bei einer Temperatur von etwa 36 – 40 °C. Wenn nicht anders angegeben, wird davon ausgegangen, dass bei pH-Werten Werte bei 25 °C

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.2: pH und pOH.