1 — Definition und Formel
Der pH-Wert ist definiert als negativer dekadischer Logarithmus der Konzentration der Oxonium-Ionen c(H3O+) in mol/L:
pH = −lg {c(H3O+)}
Umgekehrt lässt sich die Konzentration aus dem pH-Wert berechnen:
c(H3O+) = 10−pH mol/L
2 — Warum logarithmisch?
In wässrigen Lösungen kommen H3O+-Konzentrationen von 1 mol/L (sehr stark sauer, pH 0) bis 10−14 mol/L (sehr stark basisch, pH 14) vor — ein Bereich von 14 Zehnerpotenzen. Auf einer linearen Skala wäre das kaum darstellbar. Die logarithmische Skala löst dieses Problem: Jede pH-Einheit entspricht einem Faktor 10 in der Konzentration.
3 — Ionenprodukt des Wassers und Autoprotolyse
Zwischen Wasser-Molekülen findet eine Protonenübertragung statt (Autoprotolyse):
2 H2O ⇌ H3O+ + OH−
Das Ionenprodukt des Wassers bei 25 °C:
Kw = c(H3O+) ⋅ c(OH−) = 10−14 mol2/L2
Kw ist bei konstanter Temperatur eine Konstante. Steigt c(H3O+), muss c(OH−) zwingend sinken — und umgekehrt. Bei pH 7 gilt: c(H3O+) = c(OH−) = 10−7 mol/L.
4 — Verdünnung und der pH-Grenzwert 7
Verdünnt man eine saure Lösung mit Wasser, sinkt c(H3O+), und der pH steigt. Jedoch: Selbst bei beliebig starker Verdünnung nähert sich der pH asymptotisch dem Wert 7 an, ohne ihn zu überschreiten. Grund: Die Autoprotolyse des Wassers stellt sicher, dass c(H3O+) = c(OH−) = 10−7 mol/L gilt, sobald kein Überschuss mehr vorhanden ist.
Entsprechendes gilt für basische Lösungen: Verdünnen senkt den pH gegen 7, aber nicht darunter.
5 — Hydrogenchlorid und Salzsäure
Hydrogenchlorid (HCl) ist bei Raumtemperatur ein farbloses, stechend riechendes Gas. Salzsäure ist die wässrige Lösung von Hydrogenchlorid. Beim Lösen reagiert HCl vollständig mit Wasser:
HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq)
Da Hydrogenchlorid eine starke Säure ist (vollständige Dissoziation), gilt für Salzsäure: c(H3O+) = c(HCl). Hydrogenchlorid ist der Stoff (das Molekül/Gas), Salzsäure ist die wässrige Lösung.
6 — Starke und schwache Säuren
Starke Säuren (Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure) reagieren vollständig mit Wasser: c(H3O+) entspricht direkt der eingesetzten Konzentration. Schwache Säuren wie Ethansäure (CH3COOH) reagieren nur teilweise mit Wasser:
CH3COOH(aq) + H2O ⇌ H3O+(aq) + CH3COO−(aq)
Eine 0,1 molare Ethansäure-Lösung hat pH ≈ 2,9, während gleichkonzentrierte Salzsäure pH 1 hat. Auf der logarithmischen Skala entspricht das einem Faktor ≈ 80 in der H3O+-Konzentration — trotz gleicher Ausgangskonzentration.