Saure und alkalische Lösungen und Ionenkonzentrationen einfach erklärt

Stell dir vor, du beißt in eine pure Zitrone – dein Gesicht verzieht sich, weil es so extrem sauer ist! Wenn du aber nur ein paar Tropfen dieses Zitronensafts in ein großes Glas Wasser mischst, schmeckst du die Säure kaum noch.

In diesem Artikel erklären wir dir das Thema saure und alkalische Lösungen und Ionenkonzentrationen ganz einfach. Du wirst lernen, wie der pH-Wert mit der genauen Anzahl an Säure- oder Baseteilchen in einer Flüssigkeit zusammenhängt und wie du den neuen pH-Wert berechnen kannst, wenn du eine Lösung mit Wasser verdünnst.

Vorwissen

• Oxoniumionen ($\text{H}_3\text{O}^+$): Das sind die Teilchen, die eine Lösung sauer machen.

  Beispiel: In Salzsäure schwimmen viele $\text{H}_3\text{O}^+$-Teilchen.

• Hydroxidionen ($\text{OH}^-$): Das sind die Teilchen, die eine Lösung alkalisch (basisch) machen.

  Beispiel: In Natronlauge schwimmen viele $\text{OH}^-$-Teilchen.

• Stoffmengenkonzentration: Gibt an, wie viele Teilchen in einem bestimmten Volumen schwimmen.

  Beispiel: Eine Konzentration von $1 \text{ mol/l}$ bedeutet, dass eine bestimmte Menge an Teilchen in genau einem Liter Flüssigkeit gelöst ist.

Aufgabentyp 1: Saure Lösungen und die Konzentration von Oxoniumionen

Wir wissen bereits, dass saure Lösungen einen pH-Wert haben, der kleiner als 7 ist. Je kleiner der pH-Wert ist, desto saurer ist die Lösung. Aber was bedeutet das genau für die Teilchen in der Flüssigkeit?

Der pH-Wert ist direkt mit der Stoffmengenkonzentration der Oxoniumionen ($\textcolor{#CE5331}{\text{H}_3\text{O}^+}$) verbunden. Die Regel ist ganz einfach, aber extrem wichtig: Eine Änderung des pH-Werts um genau 1 bedeutet, dass sich die Anzahl der Teilchen verzehnfacht!

Das bedeutet: In einer sehr sauren Lösung mit einem pH-Wert von 1 schwimmen zehnmal so viele Oxoniumionen wie in einer Lösung mit dem pH-Wert 2.

Hier sind die genauen Werte als Formel:

• Bei $\text{pH} = 1$ ist die Konzentration $10^{-1} \text{ mol/l}$ (das ist $0,1 \text{ mol/l}$).

• Bei $\text{pH} = 2$ ist die Konzentration $10^{-2} \text{ mol/l}$ (das ist $0,01 \text{ mol/l}$).

• Bei $\text{pH} = 3$ ist die Konzentration $10^{-3} \text{ mol/l}$ (das ist $0,001 \text{ mol/l}$).

Merksatz: Je größer die Konzentration der $\textcolor{#CE5331}{\text{H}_3\text{O}^+}$-Ionen ist, desto kleiner ist der pH-Wert und desto saurer ist die Lösung. Wenn wir von pH 7 (neutral) bis pH 0 (extrem sauer) gehen, steigt die Konzentration insgesamt um den riesigen Faktor von 10.000.000!

Aufgabentyp 2: Alkalische Lösungen und die Konzentration von Hydroxidionen

Für alkalische Lösungen (Laugen) gilt ein ganz ähnliches Prinzip. Diese Lösungen haben einen pH-Wert, der größer als 7 ist. Hier schauen wir uns aber nicht die Säureteilchen an, sondern die Hydroxidionen ($\textcolor{#08BFFF}{\text{OH}^-}$).

Je höher der pH-Wert ist, desto alkalischer ist die Lösung und desto mehr Hydroxidionen sind darin enthalten. Auch hier gilt die Zehner-Regel: Eine Erhöhung des pH-Werts um 1 bedeutet eine Verzehnfachung der Teilchen.

Eine extrem alkalische Lösung mit einem pH-Wert von 14 enthält also zehnmal so viele Hydroxidionen wie eine Lösung mit dem pH-Wert 13.

Die genauen Werte sehen so aus:

• Bei $\text{pH} = 14$ ist die Konzentration $1 \text{ mol/l}$.

• Bei $\text{pH} = 13$ ist die Konzentration $10^{-1} \text{ mol/l}$ (das ist $0,1 \text{ mol/l}$).

• Bei $\text{pH} = 12$ ist die Konzentration $10^{-2} \text{ mol/l}$ (das ist $0,01 \text{ mol/l}$).

Merksatz: Je höher die Konzentration der $\textcolor{#08BFFF}{\text{OH}^-}$-Ionen ist, desto höher ist der pH-Wert und desto alkalischer ist die Lösung.

Aufgabentyp 3: Berechnung von pH-Wert-Änderungen bei Verdünnung

Was passiert nun, wenn wir eine saure oder alkalische Lösung mit destilliertem Wasser mischen? Das Wasser fügt keine neuen Säure- oder Baseteilchen hinzu, aber es vergrößert die Menge an Flüssigkeit. Die Teilchen verteilen sich auf viel mehr Platz – die Konzentration sinkt. Das nennt man Verdünnen.

Weil die Lösung durch das Wasser weniger extrem wird, bewegt sich der pH-Wert immer in Richtung der neutralen Mitte, also in Richtung $\text{pH} = 7$.

Da wir gelernt haben, dass ein pH-Schritt einem Faktor von 10 entspricht, können wir die Änderung leicht berechnen:

• Verdünnen wir eine Lösung um den Faktor 10 (wir machen also aus $10 \text{ ml}$ Flüssigkeit insgesamt $100 \text{ ml}$), ändert sich der pH-Wert um 1 Einheit in Richtung 7.

• Verdünnen wir eine Lösung um den Faktor 100 (aus $10 \text{ ml}$ werden $1000 \text{ ml}$), ändert sich der pH-Wert um 2 Einheiten in Richtung 7.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Bestimme Startpunkt und Richtung: Prüfe, ob die Lösung sauer oder alkalisch ist. Der pH-Wert wandert beim Verdünnen immer in Richtung 7.
2. Berechne den Verdünnungsfaktor: Teile das neue Gesamtvolumen durch das alte Startvolumen. Achte auf einheitliche Maßeinheiten.
3. Zähle die Zehnerschritte: Ermittle die Anzahl der Nullen im Faktor. Jeder Faktor 10 entspricht genau einem Schritt.
4. Berechne den neuen pH-Wert: Gehe vom Start-pH-Wert genau so viele Schritte in Richtung 7, wie du zuvor gezählt hast.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Ein pH-Schritt von 1 bedeutet immer, dass sich die Teilchenkonzentration um den Faktor 10 ändert.

• Je saurer die Lösung, desto kleiner der pH-Wert und desto mehr $\textcolor{#CE5331}{\text{H}_3\text{O}^+}$-Ionen sind enthalten.

• Je alkalischer die Lösung, desto größer der pH-Wert und desto mehr $\textcolor{#08BFFF}{\text{OH}^-}$-Ionen sind enthalten.

• Beim Verdünnen mit Wasser wandert der pH-Wert immer in Richtung 7 (neutral).