Die Ionen des Wassers und der pH-Wert

Nicht nur Salze bestehen aus Ionen, auch reines Wasser enthält einige solcher geladenen Teilchen. Sie stammen aber nicht aus Verunreinigungen, sondern aus dem Wasser selbst: Einige wenige Wassermoleküle spalten sich spontan auf. Dabei wird ein Wasserstoffatomkern (Proton) eines Wassermoleküls von einem freien Elektronenpaar eines Nachbarmoleküls eingefangen, ohne sein Elektron mitzunehmen. Man nennt das so entstehende Gebilde Oxonium-Ion, und es hat die chemische Formel H3O+. Das nach Wegnahme des Wasserstoff-Ions zurückbleibende Teilchen besteht nur noch aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoff-Atom, trägt aber eine negative Ladung, weil das Wasserstoff-Ion sein Elektron zurückgelassen hat. Man nennt es Hydroxid-Ion (OH–). Diese Aufspaltung von Wassermolekülen in Ionen wird als Autoprotolyse des Wassers bezeichnet. Da die Ionen H3O+ und OH– stets paarweise entstehen, ist ihre Anzahl in reinem Wasser gleich groß, sie stehen im 1:1 – Verhältnis. Solches Wasser ist neutral. Es hat den pH-Wert 7.

Es gibt aber Stoffe, die das Verhältnis von Oxonium- und Hydroxid-Ionen verschieben können. Säuren, zum Beispiel, erzeugen einen Überschuss an Oxonium-Ionen. Basen (Laugen) dagegen bewirken einen Überschuss an Hydroxid-Ionen. In zehn Millionen Litern (10.000 t) reinem Wasser gibt es nur 19 g H3O+- Ionen und 17 g OH–- Ionen, das ist jeweils die Teilchenmenge 1 mol1. Ein Liter Wasser enthält demnach 10-7 mol Oxonium-Ionen. Dieser Gehalt an Oxonium-Ionen pro Liter Wasser ist die „Konzentration“ der Oxonium-Ionen. Sie ist maßgebend für den pH-Wert des Wassers. Nimmt man von der Konzentrationsangabe 10-7 mol/L den Exponenten ohne Vorzeichen, erhält man den pH-Wert. Zu einer Oxonium-Ionen-Konzentration von 10-7 mol/L gehört also der pH-Wert 7.

Reines Wasser hat den pH-Wert 7. Es ist neutral. Höhere Werte zeigen einen zunehmenden Überschuss an Hydroxid-Ionen an, die Lösung ist basisch. Werte unter 7 dagegen weisen auf einen Überschuss an Oxonium-Ionen hin, die Lösung ist also eine Säure. Es genügt also eine einzige Angabe, der pH-Wert, um den Säuren- oder Laugencharakter einer wässrigen Lösung anzugeben.

Manche Pflanzenfarbstoffe reagieren mit einem typischen Farbwechsel, wenn sie mit einer sauren oder einer alkalischen (basischen) Lösung in Kontakt kommen. Rotkraut, zum Beispiel, bleibt rotviolett, wenn man ihm vor dem Kochen einen bis zwei Esslöffel Essig (sauer) zufügt. Ohne die Zugabe von Essig würde sich das Rotkraut hellblau verfärben. Die gleiche Verfärbung entsteht, wenn man dem Rotkraut eine Sodalösung (alkalisch) zufügt. Farbstoffe wie der des Rotkrauts nennt man Indikatoren, denn sie zeigen durch ihre Farbveränderung an, ob Lösungen sauer oder basisch sind (vgl. Abbildung).

Ein anderer Indikator als der Farbstoff des Rotkrauts ist ein aus Flechten gewonnener Farbstoff namens Lackmus, das wasserlöslich ist. Versetzt man eine solche Lösung mit einem Tropfen Säure, so färbt sie sich rot. In Verbindung mit einer Lauge wird sie blau. Papierstreifen, die mit der rot bzw. blau gefärbten Lösung getränkt wurden, können als Indikatorpapier verwendet werden.

Modernes Universal-Indikatorpapier enthält ähnliche Farbstoffgemische und kann sowohl für den sauren, als auch für den alkalischen Bereich verwendet werden. Auf bestimmte pH-Werte reagiert es mit charakteristischen Farbnuancen, so dass man auf einer beigefügten Farbskala direkt den pH-Wert ablesen kann.

  1. 1 mol sind 6,022 · 10²³ Teilchen.