pH-Wert messen-Simulation

Über dieses Experiment

Untersuche Zitronensaft, Milch, Seife und andere Flüssigkeiten aus dem Alltag mit vier verschiedenen Methoden: Universalindikator, Lackmuspapier, Phenolphthalein und einem pH-Messgerät. Jede Methode verrät dir etwas anderes. Lackmus zeigt nur an, ob eine Lösung sauer oder alkalisch ist, Phenolphthalein reagiert erst oberhalb von pH 8,2, der Universalindikator liefert einen Schätzwert als ganze Zahl und das Messgerät einen genauen Wert. Wechsle zu Laborlösungen, um starke und schwache Säuren und Basen zu verdünnen und zu beobachten, wie sich der pH-Wert verändert.

Lernziele

Ordne Lösungen mithilfe der pH-Skala als sauer, neutral oder alkalisch ein
Vergleiche, was Lackmus, Phenolphthalein, Universalindikator und ein pH-Messgerät jeweils anzeigen können
Erkläre, dass jeder Schritt um eine pH-Einheit einer zehnfachen Änderung der Wasserstoffionenkonzentration entspricht
Zeige, dass die zehnfache Verdünnung einer starken Säure ihren pH-Wert um eine Einheit erhöht, während sich der pH-Wert einer schwachen Säure weniger stark verändert

Anleitung

1Wähle den Universalindikator und teste fünf Haushaltsflüssigkeiten. Trage jedes Ergebnis in die Tabelle ein.
2Teste dieselben Flüssigkeiten mit Lackmuspapier und Phenolphthalein. Welche Flüssigkeiten lassen sich mit diesen Indikatoren nicht unterscheiden?
3Wechsle zum pH-Meter und überprüfe deine Schätzungen mit dem Universalindikator.
4Teste unter „Lab Solutions“ HCl mit 1, 0,1, 0,01 und 0,001 mol/L und wiederhole den Versuch anschließend mit Ethansäure (Essigsäure, CH₃COOH). Vergleiche die Ergebnisse.

Das Modell

pH = - lo g_{10} [H^{+}]

Definition des pH-Werts mit Konzentration in mol/L

[H^{+}] [O H^{-}] = K_{w} = 1.0 \times 1 0^{- 14}

Ionenprodukt des Wassers bei 25 °C

K_{a} = \frac{[ H ^{+} ] [ A ^{-} ]}{[ HA ]} = 1.8 \times 1 0^{- 5}

Ethansäure ionisiert nur teilweise, daher ist ihr pH-Wert bei gleicher Konzentration höher als der von HCl.

Annahmen

Haushaltsflüssigkeiten sind Gemische, daher sind ihre pH-Werte typische Werte und keine berechneten Werte. Reale Proben können davon abweichen.
Der pH-Wert einer Laborlösung ergibt sich bei 25 °C aus der vollständigen Ladungsbilanz unter der Annahme idealen Verhaltens. Aktivitätseffekte werden vernachlässigt; sie sind bei 1 mol/L am stärksten relevant.
Die Farben zeigen nur den Indikator. Bei einem echten Test können farbige Getränke wie Cola oder Kaffee den Farbumschlag überdecken.
Lackmus ändert seine Farbe etwa zwischen pH 4,5 und 8,3, und Phenolphthalein färbt sich ab einem pH-Wert von etwa 8,2 rosa.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Zitronensaft hat einen pH-Wert von etwa 2 und schwarzer Kaffee von etwa 5. Wie oft mehr H⁺-Ionen enthält Zitronensaft?
Q2Warum zeigt Phenolphthalein bei Zitronensaft und reinem Wasser dasselbe Ergebnis?
Q30,1 mol/L HCl und 0,1 mol/L Ethansäure haben dieselbe Konzentration. Warum unterscheiden sich ihre pH-Werte?
Q4Verdünne 0,1 mol/L NaOH um den Faktor tausend. Sage den neuen pH-Wert voraus, bevor du ihn misst.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet pH 7?

Bei 25 °C bedeutet pH 7, dass die Konzentrationen der H⁺- und OH⁻-Ionen gleich sind; die Lösung ist also neutral. Unter 7 ist sie sauer, über 7 alkalisch.

Kann der pH-Wert unter 0 oder über 14 liegen?

Ja. Sehr konzentrierte starke Säuren können einen negativen pH-Wert haben. Die Skala von 0 bis 14 deckt die Lösungen ab, denen man in der Schule und im Alltag begegnet.

Warum wird eine Säure durch Verdünnen niemals alkalisch?

Wird die Säure sehr stark verdünnt, gewinnen die H⁺-Ionen aus dem Wasser selbst die Oberhand, und der pH-Wert nähert sich von unten 7. Durch die Zugabe von Wasser können nicht mehr OH⁻- als H⁺-Ionen entstehen.