pH-Wert einfach erklärt: Skala, Beispiele und Berechnung

Der pH-Wert ist eine Zahl für eine chemische Eigenschaft von Flüssigkeiten mit Wasser. Er sagt dir, wie sauer oder basisch sie sind. In der Chemie heißt so eine Flüssigkeit wässrige Lösung. Das ist Wasser, in dem ein anderer Stoff gelöst ist.

Für Kinder kann man es so erklären: Stell dir eine Leiter mit den Stufen 0 bis 14 vor. Unten stehen sehr saure Stoffe. In der Mitte, bei 7, steht reines Wasser. Oben stehen stark basische Stoffe. Jede Lösung bekommt einen Platz auf dieser Leiter.

Was bestimmt den Platz? In jeder wässrigen Lösung schwimmen winzige geladene Teilchen. Man nennt sie Ionen. Für den pH-Wert zählen zwei Sorten. Oxonium-Ionen (H₃O⁺) machen eine Lösung sauer. Hydroxid-Ionen (OH⁻) machen sie alkalisch. Sind beide gleich häufig, ist die Lösung neutral.

Merke dir: Viel H₃O⁺ bedeutet einen niedrigen pH-Wert. Wenig H₃O⁺ bedeutet einen hohen pH-Wert. Das wirkt zuerst verdreht. Weiter unten siehst du, woher das kommt.

Die pH-Skala reicht meist von 0 bis 14. Für verdünnte Lösungen bei 25 °C gilt:

• pH unter 7: sauer. Es gibt mehr Oxonium-Ionen als Hydroxid-Ionen.
• pH gleich 7: neutral. Beide Sorten sind gleich häufig. Reines Wasser hat diesen Wert.
• pH über 7: basisch. Es gibt mehr Hydroxid-Ionen als Oxonium-Ionen. Statt basisch sagt man auch alkalisch. Eine basische Lösung heißt auch Lauge.

Je weiter ein Wert von 7 entfernt ist, desto stärker ist die Wirkung. pH 1 ist stark sauer, pH 6 nur schwach sauer. pH 13 ist eine starke Lauge, pH 8 eine schwache.

Ab wann ist etwas sauer? Schon knapp unter 7. Eine Lösung mit pH 6,8 ist also leicht sauer. Ab wann ist sie basisch? Schon knapp über 7. Die Grenze bei 7 gilt genau für 25 °C. Was bei Wärme passiert, liest du weiter unten.

Viele Stoffe aus Küche und Bad haben einen typischen pH-Wert. Natürliche Stoffe schwanken aber. Nicht jede Zitrone ist gleich sauer. Deshalb stehen in der Tabelle Spannen oder ungefähre Werte.

Fällt dir etwas auf? Viele Lebensmittel sind leicht sauer. Essig verdankt seinen sauren Geschmack der Essigsäure. Trotzdem gilt: Im Labor wird nie probiert. Starke Säuren und Laugen sind ätzend.

Die Werte für Cola, Kaffee, Milch und Seife sind Durchschnittswerte. Bei Säften und Essig hängt der Wert von Sorte und Herstellung ab. Für die Schule reicht es, die Richtung zu kennen: Zitronensaft ist deutlich saurer als Kaffee, Seife liegt über 7.

Den pH-Wert gibt es seit 1909. Damals führte ihn der dänische Chemiker Søren Sørensen ein. Das H steht für Wasserstoff, lateinisch Hydrogenium. Den Buchstaben p wählte Sørensen zuerst ohne feste Bedeutung. Später deutete man ihn als Potenz. Oft liest man auch potentia hydrogenii, also „Kraft des Wasserstoffs“.

Warum Wasserstoff? Säuren geben in Wasser Protonen ab. Ein Proton ist ein Wasserstoff-Ion H⁺. Allein bleibt es in Wasser nicht. Es bindet sich an ein Wassermolekül. So entsteht ein Oxonium-Ion H₃O⁺. Viele Bücher sagen vereinfacht Wasserstoffion. Gemeint ist dasselbe.

Basen machen es umgekehrt. Sie nehmen Protonen auf. Dabei entstehen in Wasser Hydroxid-Ionen OH⁻. Sie machen eine Lösung alkalisch.

Auch reines Wasser enthält ein paar davon. Wassermoleküle geben sich gegenseitig Protonen weiter. Bei 25 °C sind das sehr wenige: je 0,0000001 mol pro Liter H₃O⁺ und OH⁻. Als Zehnerpotenz ist das 10⁻⁷. Daher kommt der neutrale pH-Wert 7.

Das Wichtigste am pH-Wert: Die Skala geht in Zehnerschritten. Sinkt der pH-Wert um 1, gibt es 10-mal so viele Oxonium-Ionen. Sinkt er um 2, sind es 100-mal so viele. Bei 3 Stufen sind es 1.000-mal so viele. In der Mathematik heißt so eine Skala logarithmisch.

Ein Beispiel: Eine Lösung mit pH 3 hat 100-mal so viele Oxonium-Ionen wie eine Lösung mit pH 5. Rechne nach: 5 − 3 = 2 Stufen. 10 · 10 = 100.

Deshalb sind schon kleine Zahlen große Unterschiede. Normaler Regen hat etwa pH 5,6. Saurer Regen liegt meist bei 4,2 bis 4,4. Das ist mehr als eine Stufe. Saurer Regen enthält also über zehnmal so viele Oxonium-Ionen.

Auch im Meer zählt jede Nachkommastelle. Der mittlere pH-Wert an der Oberfläche liegt heute bei etwa 8,1. Seit Beginn der Industrialisierung ist er um etwa 0,1 gesunken. Das klingt nach wenig. Eine US-Behörde für Meere und Wetter nennt dafür rund 30 Prozent mehr Säure. Mit genau 0,1 gerechnet sind es etwa 26 Prozent, denn 10 hoch 0,1 ist ungefähr 1,26. Austern und Korallen bauen Schalen und Skelette aus Kalk. Mehr Säure erschwert ihnen das.

Den pH-Wert kannst du nicht sehen. Du kannst ihn aber messen. Dafür gibt es drei übliche Wege.

Indikatoren sind Farbstoffe. Sie ändern ihre Farbe je nach pH-Wert. Lackmus ist unter etwa 4,5 rot und über etwa 8,3 blau. Bromthymolblau ist unter 6 gelb und über 7,6 blau. Ein Universalindikator ist eine Mischung aus mehreren Farbstoffen. Er zeigt über die ganze Skala verschiedene Farben.

Teststreifen tragen mehrere Farbfelder. Du tauchst den Streifen kurz ein. Dann vergleichst du die Farben mit einer Farbskala. So kannst du den Wert gut abschätzen.

Ein pH-Meter misst elektrisch, meist mit einer Glaselektrode. Es zeigt den Wert direkt als Zahl an.

Rotkohl enthält einen natürlichen Farbstoff. Er wirkt wie ein Indikator. In saurer Lösung wird er rot. Bei pH 6 bis 7 ist er violett. In basischer Lösung wird er blau und später grün. Mach diesen Versuch nur zusammen mit einem Erwachsenen.

1. Ein Erwachsener schneidet etwas Rotkohl klein und gießt heißes Wasser darüber. Nach dem Abkühlen wird der Saft durch ein Sieb abgegossen.
2. Stellt mehrere klare Gläser bereit. In jedes kommt etwas Rotkohlsaft.
3. Gebt in jedes Glas einen Stoff: Zitronensaft, Essig, Leitungswasser, Wasser mit etwas Natron, Seifenwasser.
4. Vergleicht die Farben. Ordnet die Gläser von Rot über Violett bis Blau.

Nehmt nur diese Küchenstoffe. Reiniger wie Rohrreiniger sind ätzend und gehören nicht in den Versuch. Trinkt nichts davon. Wascht die Gläser danach gut aus.

Was zeigt der Versuch? Zitronensaft und Essig färben den Saft rot, denn sie sind sauer. Natron und Seife machen ihn bläulich, denn sie liegen über 7. Leitungswasser liegt meist dazwischen. Genaue Zahlen liefert der Rotkohl nicht. Er zeigt dir aber die Richtung.

Ab der Mittelstufe rechnest du mit dem pH-Wert. Die Formel lautet:

pH = −lg c(H₃O⁺)

Dabei ist c(H₃O⁺) die Konzentration der Oxonium-Ionen in mol pro Liter. Das Zeichen lg steht für den dekadischen Logarithmus, also den Logarithmus zur Basis 10. Das Minus macht den Wert positiv. Kurz gesagt: Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration.

Ganz genau nutzt die Chemie die Aktivität statt der Konzentration. Für verdünnte Lösungen in der Schule reicht die Konzentration.

Eine starke Säure gibt in Wasser fast alle Protonen ab. Salzsäure ist so eine Säure. Bei ihr ist c(H₃O⁺) gleich der Konzentration der Säure.

Beispiel 1: Salzsäure mit c = 0,01 mol/L.

c(H₃O⁺) = 0,01 = 10⁻²

pH = −lg 10⁻² = 2

Ohne Taschenrechner geht das bei Zehnerpotenzen. Zähle die Stellen nach dem Komma bis zur 1. Bei 0,01 sind es zwei Stellen, also pH 2. Bei 0,001 ist es pH 3.

Beispiel 2: Salzsäure mit c = 0,005 mol/L.

pH = −lg 0,005 ≈ 2,30

Hier brauchst du den Taschenrechner. Die Taste heißt meist log.

Du kannst die Formel auch umdrehen:

c(H₃O⁺) = 10 hoch (−pH)

Bei pH 4 sind es 10⁻⁴, also 0,0001 mol pro Liter.

Bei Basen kennst du meist die Konzentration der Hydroxid-Ionen. Dann rechnest du zuerst den pOH-Wert aus:

pOH = −lg c(OH⁻)

Bei 25 °C gilt außerdem: pH + pOH = 14.

Beispiel 3: Natronlauge mit c(OH⁻) = 0,001 mol/L.

pOH = −lg 10⁻³ = 3

pH = 14 − 3 = 11

Verdünnst du eine starke Säure im Verhältnis 1:10, steigt der pH-Wert um 1. Aus pH 2 wird pH 3. Bei 1:100 steigt er um 2. Das geht aber nicht endlos. Mit noch mehr Wasser nähert sich der Wert der 7. Aus einer Säure wird durch Wasser keine Lauge.

Essigsäure ist eine schwache Säure. Sie gibt nur einen kleinen Teil ihrer Protonen ab. Deshalb brauchst du ihre Säurekonstante Ks. Für viele schwache Säuren gibt es eine Näherung:

pH ≈ ½ · (pKs − lg c₀)

Dabei ist c₀ die Anfangskonzentration der Säure. Für Essigsäure ist Ks = 1,8 · 10⁻⁵. Daraus folgt pKs ≈ 4,74.

Beispiel 4: Essigsäure mit c₀ = 0,1 mol/L.

pH ≈ ½ · (4,74 − lg 0,1) = ½ · (4,74 + 1) ≈ 2,9

Salzsäure mit derselben Konzentration hätte pH 1. Die schwache Säure liefert also viel weniger Oxonium-Ionen.

Die Werte 0 bis 14 decken fast alles aus Alltag und Schule ab. Bei sehr starken Säuren oder Laugen über 1 mol/L sind aber auch Werte unter 0 oder über 14 möglich. Solche Werte lassen sich nur ungenau messen.

Auch der Neutralpunkt 7 gilt genau nur bei 25 °C. In warmem Wasser bilden sich mehr H₃O⁺ und OH⁻. Bei 80 °C ist reines Wasser schon bei pH 6,3 neutral. Sauer wird es dadurch nicht. Es enthält weiter gleich viele Oxonium- und Hydroxid-Ionen.

Blut ist leicht basisch. Sein pH-Wert liegt normalerweise zwischen 7,35 und 7,45. Lunge, Nieren und sogenannte Puffer halten ihn in diesem engen Bereich. Wie das Blut durch den Körper fließt, erklärt der Artikel Herz und Blutkreislauf.

Magensäure ist dagegen stark sauer: nüchtern etwa pH 1 bis 1,5.

Die Haut ist an der Oberfläche leicht sauer. Studien nennen Werte zwischen 4 und 7. Eine Untersuchung fand ohne Waschen im Mittel 4,7.

Böden haben ebenfalls einen pH-Wert. Ist er sehr hoch oder sehr niedrig, kommen Pflanzen schlechter an ihre Nährstoffe. In sauren Böden lösen sich außerdem Aluminium-Ionen. In hoher Menge schaden sie Pflanzen. Wie Pflanzen ihre Nahrung bilden, zeigt Photosynthese einfach erklärt.

Trinkwasser muss in Deutschland einen pH-Wert von 6,5 bis 9,5 haben. So steht es in der Trinkwasserverordnung.

Regen ist auch ohne Schadstoffe leicht sauer, etwa pH 5,6. Das liegt am Kohlendioxid in der Luft. Es bildet mit Wasser Kohlensäure.

Fehler: Ein hoher pH-Wert heißt viel Säure. Es ist umgekehrt. Je kleiner der pH-Wert, desto mehr Oxonium-Ionen und desto saurer die Lösung.

Fehler: pH 2 ist doppelt so sauer wie pH 4. Die Skala geht in Zehnerschritten. Zwischen 2 und 4 liegen zwei Stufen. Bei pH 2 gibt es also 100-mal so viele Oxonium-Ionen.

Fehler: Basisch und alkalisch sind zwei verschiedene Dinge. Bei Lösungen meinen beide Wörter dasselbe: pH über 7.

Fehler: Neutral heißt, es gibt keine Ionen. Auch reines Wasser enthält Oxonium- und Hydroxid-Ionen. Bei pH 7 sind beide nur gleich häufig.

Fehler: Bei Laugen ist −lg c(OH⁻) schon der pH-Wert. So erhältst du erst den pOH-Wert. Rechne danach noch pH = 14 − pOH.

Schreib jeden Fehler auf eine Karte. Auf die Rückseite kommt der richtige Satz mit Grund. Lies die Karten morgen noch einmal und erkläre die Korrektur ohne Rückseite.

Die Aufgaben 1 bis 9 schaffst du ohne Logarithmus. Ab Aufgabe 10 wird gerechnet. Für Aufgabe 13 brauchst du einen Taschenrechner.

1. Ist eine Lösung mit pH 3 sauer, neutral oder basisch?
2. Ordne nach steigendem pH-Wert: Seife, Zitronensaft, reines Wasser, Blut.
3. Welches Wort bedeutet dasselbe wie basisch?
4. Welche Teilchen machen eine Lösung sauer? Welche machen sie alkalisch?
5. Rotkohlsaft färbt sich in einer Probe blau. Was sagt das über die Probe?
6. Wie viele Male so viele Oxonium-Ionen hat eine Lösung mit pH 2 im Vergleich zu pH 4?
7. Normaler Regen hat etwa pH 5,6. Wie viele Male so viele Oxonium-Ionen hat Regen mit pH 4,6?
8. Verbessere den Satz: „Reines Wasser ist neutral, weil es keine Ionen enthält.“
9. Trinkwasser hat pH 7,8. Liegt der Wert im erlaubten Bereich?
10. Berechne den pH-Wert von Salzsäure mit c = 0,001 mol/L.
11. Eine Lösung hat pH 5. Wie groß ist c(H₃O⁺)?
12. Natronlauge hat c(OH⁻) = 0,01 mol/L. Berechne pOH und pH bei 25 °C.
13. Salzsäure hat c = 0,02 mol/L. Berechne den pH-Wert.
14. Du verdünnst Salzsäure mit pH 1 im Verhältnis 1:100. Welchen pH-Wert hat sie danach?
15. Essigsäure mit pKs ≈ 4,74 hat c₀ = 0,1 mol/L. Schätze den pH-Wert. Warum ist er höher als bei Salzsäure mit gleicher Konzentration?

1. Sauer, denn 3 ist kleiner als 7.
2. Zitronensaft, reines Wasser, Blut, Seife. Die Werte: etwa 2 bis 2,6, dann 7, dann 7,35 bis 7,45, dann 9 bis 10.
3. Alkalisch. Beide Wörter meinen bei Lösungen pH über 7.
4. Oxonium-Ionen machen sauer, Hydroxid-Ionen machen basisch. Sind beide gleich häufig, ist die Lösung neutral.
5. Die Probe ist basisch. Rotkohlsaft wird in basischer Lösung blau. In saurer Lösung wäre er rot.
6. 100-mal so viele. Zwischen 2 und 4 liegen zwei Stufen: 10 · 10 = 100.
7. 10-mal so viele. Von 5,6 bis 4,6 ist es genau eine Stufe.
8. Reines Wasser enthält wenige Oxonium- und Hydroxid-Ionen. Es ist neutral, weil beide gleich häufig sind.
9. Ja. Erlaubt sind 6,5 bis 9,5.
10. 0,001 = 10⁻³. Also ist pH = 3.
11. c(H₃O⁺) = 10⁻⁵, also 0,00001 mol/L.
12. pOH = −lg 0,01 = 2. Dann ist pH = 14 − 2 = 12.
13. pH = −lg 0,02 ≈ 1,70.
14. 1:100 sind zwei Zehnerschritte. Der pH-Wert steigt um 2. Ergebnis: pH 3.
15. pH ≈ ½ · (4,74 + 1) ≈ 2,9. Essigsäure ist eine schwache Säure. Sie gibt nur einen kleinen Teil ihrer Protonen ab. Salzsäure mit 0,1 mol/L hätte pH 1.

Spickzettel zum pH-Wert als PDF herunterladen. Er passt auf eine Seite: Skala, Formeln und fünf kurze Übungen mit Lösungen.

Schritt 1: Zeichne die Skala von 0 bis 14 aus dem Kopf. Markiere sauer, neutral und alkalisch.

Schritt 2: Trage fünf Stoffe aus der Tabelle ein. Prüfe danach mit der Tabelle.

Schritt 3: Erkläre laut, warum pH 3 hundertmal so viele Oxonium-Ionen hat wie pH 5.

Schritt 4: Rechne die Aufgaben 10 bis 15 noch einmal ohne Lösungen. Vergleiche erst am Ende.

Beim Erklären hilft dir die Feynman-Technik. Das Abfragen ohne Vorlage heißt Active Recall. Wie aus Atomen geladene Teilchen werden, zeigt das Periodensystem.

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