Die Buchstaben pH stehen halb unter Wasser in einem Becherglas, und die Lösung darüber wechselt die Farbe wie ein Universalindikator, von Rot über Gelb und Grün zu Blau und Violett. Aus der Bürette fällt ein Tropfen, über die Oberfläche läuft ein Ring, vom Boden steigen Bläschen auf, der Rührer dreht sich, die Kugel der Glaselektrode leuchtet. Das Messgerät in der Ecke zeigt eine Zahl, und die Marke auf dem Indikatorstreifen unten fährt zum selben Feld.
Einheitenblatt
Chemie und Labor Blatt 1/1 · Stand 2026-09pH-Wert pH
Größe außerhalb des SI · Größe: Acidität einer Lösung, dimensionsloser Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität
Eine logarithmische Skala ohne Einheit
Im Jahr 1909 untersuchte der dänische Chemiker Søren Sørensen im Labor der Brauerei Carlsberg, wie Enzyme von der Säure der Würze abhängen, und notierte täglich Konzentrationen wie 0,000 000 1 Mol pro Liter. Des Nullenzählens müde, schlug er vor, statt der Zahl selbst nur den Exponenten ohne Minuszeichen zu schreiben, sodass ein Zehnmillionstel zu einer einfachen Sieben wurde, und seitdem misst man die Acidität mit einer Zahl, hinter der keine Einheit steht.
Diese Schreibweise ist bequem, aber tückisch: ein Schritt um eine Einheit bedeutet eine Verzehnfachung, darum ist eine Lösung mit pH 3 nicht um ein Drittel saurer als eine mit pH 5, sondern hundertmal, und zwei pH-Werte lassen sich weder addieren noch mitteln. Mischt man gleiche Volumina von Lösungen mit pH 2 und pH 4, erhält man nicht 3, sondern 2,30, denn es addieren sich die Konzentrationen selbst, und der Logarithmus wird erst von der Summe genommen.
Das Blatt zeigt, wie sich der pH-Wert bei einer Titration verhält, warum die Sieben nur bei fünfundzwanzig Grad neutral ist und weshalb sich die Größe, die jeder Aquarianer misst, bis heute nicht streng messen lässt ohne eine Vereinbarung darüber, was als Aktivität eines einzelnen Ions gilt.
Geschrieben mit kleinem p und großem H, immer in dieser Reihenfolge und ohne Leerzeichen: pH, nicht PH und nicht Ph, denn der Kleinbuchstabe bezeichnet eine Operation und der Großbuchstabe ein chemisches Element. Die Zahl steht nach dem Zeichen, wie bei der Temperatur in Grad: pH 7,40, und eine Einheit wird dahinter nicht geschrieben.
Der pH-Wert ist weder die Konzentration einer Säure noch ihre Stärke: Essig und Salzsäure gleicher Konzentration ergeben pH 2,9 und 1,0, und ein Puffer kann viel Säure enthalten und trotzdem eine fast neutrale Zahl zeigen. Nicht zu verwechseln auch mit dem pKa, der zur Säure selbst gehört und nicht davon abhängt, wie viel davon eingefüllt ist, während der pH-Wert zur Lösung gehört.
01 · Definition
Logarithmus · Aktivität · NeutralpunktDer pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Aktivität der Wasserstoffionen in einer Lösung. Die Aktivität ist dimensionslos, weil sie auf eine Standardkonzentration von einem Mol pro Liter bezogen wird, und darum ist auch der Logarithmus dimensionslos: Der pH-Wert wird in keiner Einheit gemessen, sondern nur als Zahl ausgedrückt.
In verdünnten Lösungen stimmt die Aktivität fast mit der Konzentration überein, und dann kann man den pH-Wert direkt aus Mol pro Liter berechnen, während sich in starken Lösungen und im Meerwasser die Ionen gegenseitig stören und der Unterschied zwischen Konzentration und Aktivität Zehntel einer Einheit erreicht. Wasser zerfällt selbst ein wenig in Wasserstoff- und Hydroxidionen, das Produkt ihrer Aktivitäten beträgt bei 25 °C 10⁻¹⁴, und neutral heißt eine Lösung, in der von beiden gleich viel vorhanden ist, also pH 7.
Das Ionenprodukt des Wassers wächst schnell mit der Temperatur, darum sinkt der Neutralpunkt beim Sieden auf 6,13 und steigt bei null Grad auf 7,47; eine Lösung mit pH 7 ist bei 50 °C bereits schwach basisch, obwohl die Zahl dieselbe geblieben ist.
Zwei Tropfen, die das Becherglas umfärben
Links tropft aus der Bürette Titriermittel in ein Becherglas mit 25 Millilitern Lösung, die Flüssigkeit ist mit Universalindikator nach ihrem aktuellen pH-Wert gefärbt, und das Messgerät in der Ecke zeigt die Zahl. Rechts wächst die Titrationskurve: der zurückgelegte Teil ist als dicke Linie in Indikatorfarbe gezeichnet, der Rest als dünne graue Punktlinie, die waagerechte Punktlinie ist der Neutralpunkt pH 7, die senkrechte der Äquivalenzpunkt, an dem genau so viel Titriermittel zugegeben ist, wie die ganze Säure oder Base braucht.
pH 2 und pH 4 gemischt — es wird nicht drei
Ein Liter Lösung mit pH 2 enthält ein Hundertstel Mol Wasserstoffionen, ein Liter mit pH 4 ein Zehntausendstel, sodass nach dem Mischen in zwei Litern 0,0101 Mol sind, also 0,00505 pro Liter, und das ist pH 2,30. Die saure Lösung bestimmt das Ergebnis fast ganz, die weniger saure trägt nur Verdünnung bei, und darum sagt der mittlere pH-Wert mehrerer Proben, als einfacher Mittelwert in einen Bericht eingetragen, über die sauerste von ihnen immer die Unwahrheit.
02 · Umrechnung
Konzentrationen · Stoffe · TemperaturVon der Zahl am Messgerät zu Mol pro Liter
Geben Sie den pH-Wert, die Konzentration der Wasserstoff- oder Hydroxidionen oder den pOH ein, und das Blatt rechnet alles andere um, vergleicht die Lösung mit bekannten Stoffen und zeigt, wo der Neutralpunkt bei einer anderen Temperatur liegt. In allen Reitern ist die Lösung dieselbe, es ändert sich nur, womit sie verglichen wird.
Merkregel: jede pH-Einheit ist eine zehnfache Änderung der Konzentration, alle 0,3 Einheiten eine Verdopplung.
Die Umrechnung setzt die Aktivität gleich der Konzentration, was nur für verdünnte Lösungen stimmt; in Meerwasser, Blut und starken Säuren verschiebt die Korrektur um den Aktivitätskoeffizienten das Ergebnis um ein bis zwei Zehntel. Die pH-Werte der Stoffe sind typisch, nicht normativ: bei Zitronensaft, Kaffee und Regen schwankt der Wert von Probe zu Probe um bis zu eine halbe Einheit.
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Messgeräte
Papier · Glas · Platin · PufferWomit man das Wasserstoffion fängt
Ein Regenbogen auf dem Streifen
Der Universalindikator ist ein Gemisch mehrerer Farbstoffe, von denen jeder in seinem eigenen schmalen Bereich die Farbe wechselt, sodass sie zusammen die ganze Skala von Rot bis Violett einfärben. Der Streifen wird in die Lösung getaucht, die Lösung steigt im Papier auf, und die Farbe wird mit bloßem Auge mit der gedruckten Skala verglichen; die Genauigkeit liegt bei etwa einer Einheit, dafür ist die Antwort in einer Sekunde da und braucht kein Gerät.
Glas, das Säure spürt
Eine dünne Kugel aus Spezialglas quillt an der Oberfläche auf, und Wasserstoffionen tauschen sich mit ihrer hydratisierten Schicht aus, sodass zwischen innerer und äußerer Lösung eine Potentialdifferenz entsteht. Bei 25 °C ändert sie sich um 59,16 Millivolt je pH-Einheit, und beim Erwärmen wird die Steilheit größer, weshalb ein ordentliches pH-Meter immer auch die Temperatur misst.
Der Nullpunkt der ganzen Elektrochemie
Ein mit schwammigem Platinschwarz überzogenes Platinblech wird bei einem Druck von einem Bar mit Wasserstoff umspült, und darauf stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Gas und den Wasserstoffionen in der Lösung ein. Eine solche Elektrode ist unhandlich und launisch, doch ihr Potential folgt ohne Vermittler der definierenden Formel selbst, und die Primärpuffer, nach denen alle Glaselektroden der Welt kalibriert werden, werden gerade mit ihr zertifiziert.
Drei Bechergläser vor jeder Messung
Eine Glaselektrode altert, ihr Nullpunkt und ihre Steilheit driften, darum prüft man das Gerät vor der Arbeit mit Puffern bekannten pH-Werts, meist 4,01, 7,00 und 10,01 bei 25 °C, und legt nach ihnen die Gerade neu fest. Ein Gerät ohne solche Kalibrierung zeigt eine Zahl mit zwei Nachkommastellen, doch die zweite Stelle ist nur so lange ehrlich, bis die Elektrode in eine unbekannte Lösung umgesetzt wird.
05 · Schreibregeln
Zeichen vor der Zahl · ohne Einheit · mit TemperaturDie Zahl nach dem Zeichen, keine Einheit
Das Zeichen pH steht vor der Zahl wie der Name einer Skala, nicht danach wie eine Einheit, und neben einem genauen Wert gibt man die Temperatur an, bei der er gewonnen wurde.
Die erste Zeile rechts setzt das Zeichen hinter die Zahl, als wäre pH eine Einheit, die zweite schreibt ein großes P, das in der Chemie nichts bedeutet, und die dritte hängt dem Exponenten Mol pro Liter an, obwohl Mol nur in der Konzentration leben. Die vierte rechnet den Logarithmus in Prozent um, sodass ein Abfall um 0,3 bescheiden wirkt, obwohl es nur noch halb so viele Wasserstoffionen gibt, die fünfte fügt nicht existierende „Einheiten“ hinzu, und die sechste mittelt Logarithmen, wo man Konzentrationen mitteln müsste.
06 · Benachbarte Einheiten
Konzentration · Logarithmus · StoffmengeUnter dem Logarithmus des pH-Werts liegt eine Konzentration in Mol pro Liter, der Logarithmus selbst macht ihn zum Verwandten des Dezibels, das ebenso Dutzende Größenordnungen in eine kurze Skala presst, und das Mol bleibt die einzige SI-Einheit, über die der pH-Wert überhaupt mit dem System verbunden ist.
Genau die Konzentration, deren Logarithmus man nimmt, und in der man zählt, wie viel Säure eingefüllt ist.
Ebenfalls ein dimensionsloser Logarithmus, nur von einem Leistungsverhältnis und mit dem Faktor zehn.
Stoffmenge, über die der pH-Wert mit dem Internationalen Einheitensystem verbunden ist.
07 · Historischer Teil
Archiv · von der Brauerei bis zur IUPACWie aus Nullen eine Skala wurde
{title}
{text}
Vier Stufen, die nicht auf ein Blatt passen
Die Höhe der Säule ist die Wasserstoffionenkonzentration im gewöhnlichen, nicht logarithmischen Maßstab, für pH 1, 2, 3 und 4. Jede folgende Säule ist zehnmal niedriger als die vorige, und die vierte ist schon kaum zu sehen; der Rahmen geht sie der Reihe nach ab.
Sørensen wählte den Logarithmus nicht der Schönheit wegen, sondern weil die Größen, mit denen er arbeitete, sonst auf kein Papier gepasst hätten: die sieben Stufen von pH 1 bis pH 7 würden eine lineare Skala um das Zehnmillionenfache dehnen.
Eine Größe, die sich ohne Vereinbarung nicht messen lässt
Die Definition spricht von der Aktivität eines einzelnen Wasserstoffions, doch die Thermodynamik kann nur Produkte der Aktivitäten von Ionen entgegengesetzter Ladung messen, weil eine Lösung stets elektrisch neutral ist und man ein einzelnes Ion nicht aus ihr herausnehmen kann. Streng nach der Definition misst darum kein Gerät den pH-Wert; zugänglich ist nur eine Größe, in die zusammen mit dem Wasserstoff das Chloridion eingeht.
Die Lücke wird durch eine Vereinbarung geschlossen: nach der Bates-Guggenheim-Konvention berechnet man den Aktivitätskoeffizienten des Chloridions mit einer einfachen Formel der Lösungstheorie, und danach liefert die Harned-Zelle mit Wasserstoff- und Silber-Silberchlorid-Elektrode ohne Flüssigkeitsverbindung primäre pH-Werte für einige Referenzpuffer. Alle anderen Messungen auf der Erde stützen sich über eine Kette von Kalibrierungen auf diese Puffer.
In jeder pH-Zahl steckt also außer der Messung selbst auch eine Vereinbarung, und zwei Labore stimmen auf Hundertstel einer Einheit überein, nicht weil sie dieselbe Natur gemessen haben, sondern weil sie dieselbe Konvention angenommen und nach denselben Puffern kalibriert haben.