Der pH-Wert

Das Potenzial einer Lösung, Wasserstoffionen abzugeben oder aufzunehmen, bestimmt, ob es sich um eine Säure oder eine Base handelt. Saure Lösungen geben Protonen ab, während Basen oder alkalische Lösungen Protonen aufnehmen können. Reines Wasser besitzt eine gleiche Anzahl von Wasserstoffionen, die Protonen abgeben, und Hydroxidionen, die sie aufnehmen. Wasser ist daher eine neutrale Lösung.

Der pH-Wert ist ein Maß für den Säure- oder Basengehalt einer wässrigen Lösung und wird durch die Konzentration der Wasserstoffionen in einer Substanz bestimmt. In einem Liter reinen Wassers befinden sich 1×10^-7 Mol Wasserstoffionen. Der weite Konzentrationsbereich in welchem die Wasserstoffionen in wässrigen Lösungen vorkommen können, macht die Messung des pH-Wertes in Mol jedoch umständlich. Daher wurde eine pH-Skala entwickelt, bei der die Mole der Wasserstoffionen durch den negativen dekadischen Logarithmus umgerechnet werden. Daher liegt der pH-Wert von reinem Wasser bei 7, was einer neutralen Lösung entspricht. Die meisten Lösungen haben einen pH-Wert zwischen 0 und 14. Einige Lösungen, wie z.B. Carboran (mit einem pH-Wert von -18), überschreiten diesen Wert jedoch. Ein Liter Carboran besitzt 1×10¹⁸ Mole Wasserstoffionen.

Wenn sich freie, ungebundene Wasserstoffionen anreichern, wie im Carboran, ist die Lösung sauer und der pH-Wert liegt unter 7. Kaffee, Zitronensaft und Magensäure (Verdauungssäfte) sind ebenfalls saure Lösungen und weisen pH-Werte von ca. 4,5, 2,5 bzw. 1,5 auf.

Lösungen mit pH-Werten über 7 haben geringere Wasserstoffionen-Konzentrationen und sind alkalisch. In diesen Lösungen werden die Wasserstoffionen an andere Komponenten, wie z.B. Hydroxylgruppen, gebunden. Dadurch wird die Gesamtzahl der freien Wasserstoffionen verringert und der pH-Wert angehoben. Salzwasser und Seifenwasser sind Beispiele für alkalische Lösungen, wobei die pH-Werte hier etwa bei 8 bzw. 12 liegen.

Puffer verhindern große Veränderungen des pH-Wertes durch Aufnahme oder Abgabe von Wasserstoffionen. Da die meisten biologischen Funktionen bei nahezu neutralen pH-Werten (ca. 7,35 bis 7,45) auftreten, sind Puffer lebenswichtig. Blut wird beispielsweise bei einer zu hohen Kohlendioxidkonzentration sauer. Bikarbonat wirkt als Puffer und bringt das Blut wieder auf den homöostatischen pH-Wert. Bikarbonat wird auch zur Pufferung des Speisebreis auf dem Weg vom Magen in den Dünndarm verwendet. Ohne es würde der Säuregehalt der verdauten Nahrung die Darmschleimhaut schädigen.