Warum beträgt der pH-Bereich 0 bis 14, Quora?

Die pH-Skala: Warum sie (meistens) zwischen 0 und 14 liegt

Die pH-Skala ist ein fundamentales Werkzeug in der Chemie, der Biologie und vielen anderen Bereichen. Sie ermöglicht es uns, den Säure- oder Basencharakter einer wässrigen Lösung quantitativ zu bestimmen. Aber warum ist die pH-Skala üblicherweise auf einen Bereich von 0 bis 14 beschränkt? Die Antwort liegt in den Eigenschaften des Wassers selbst und der Definition des pH-Wertes.

Die Definition und ihre Konsequenzen:

Der pH-Wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration (H⁺) in einer Lösung:

pH = -log₁₀[H⁺]

Diese Definition impliziert bereits, dass der pH-Wert indirekt mit der Konzentration der Hydroxidionen (OH⁻) zusammenhängt. In wässrigen Lösungen gilt nämlich das Ionenprodukt des Wassers (Kw):

*Kw = [H⁺] [OH⁻]**

Bei 25°C beträgt Kw ungefähr 10⁻¹⁴ mol²/l². Das bedeutet, dass in reinem Wasser die Konzentration von H⁺ und OH⁻ gleich ist und jeweils etwa 10⁻⁷ mol/l beträgt. Daraus ergibt sich ein pH-Wert von 7 für reines Wasser, was als neutral angesehen wird.

Die Grenzen des reinen Wassers:

Die Begrenzung der pH-Skala auf 0 bis 14 ergibt sich hauptsächlich aus den maximalen Konzentrationen von H⁺ und OH⁻, die in reinem Wasser unter normalen Bedingungen erreicht werden können.

• pH 0: Ein pH-Wert von 0 würde bedeuten, dass die Konzentration von H⁺ 1 mol/l beträgt. Dies ist eine sehr saure Lösung.
• pH 14: Ein pH-Wert von 14 würde bedeuten, dass die Konzentration von OH⁻ 1 mol/l beträgt. Dies ist eine sehr basische Lösung.

Der Grund, warum diese Konzentrationen als obere und untere Grenzen angesehen werden, liegt darin, dass in reinem Wasser die Konzentration eines Ions (H⁺ oder OH⁻) nicht höher sein kann, als durch die vollständige Dissoziation einer starken Säure oder Base in Wasser erzeugt werden kann. Im Wesentlichen wird die “Kapazität” des Wassers zur Aufnahme weiterer Ionen begrenzt.

Die logarithmische Natur und die exponentielle Veränderung:

Es ist wichtig zu betonen, dass die pH-Skala logarithmisch ist. Das bedeutet, dass jede pH-Einheit eine zehnfache Änderung der Wasserstoffionenkonzentration darstellt. Ein pH-Wert von 3 ist also zehnmal saurer als ein pH-Wert von 4 und hundertmal saurer als ein pH-Wert von 5. Diese logarithmische Natur ermöglicht es uns, einen breiten Bereich von Säure- und Basenkonzentrationen in einer handlichen Skala darzustellen.

Jenseits von 0 und 14: Starke Säuren und Basen:

Obwohl die pH-Skala typischerweise als 0 bis 14 dargestellt wird, ist es wichtig zu wissen, dass es Lösungen mit pH-Werten unter 0 und über 14 geben kann. Diese entstehen durch sehr konzentrierte Lösungen starker Säuren oder Basen. Beispielsweise kann eine 10 mol/l Salzsäurelösung einen pH-Wert von -1 haben. In diesen Fällen muss man jedoch die Aktivität der Ionen und nicht nur die Konzentration berücksichtigen, da die Ionenstärke der Lösung sehr hoch ist.

Fazit:

Die pH-Skala von 0 bis 14 ist ein praktisches und weit verbreitetes Werkzeug, das auf den Eigenschaften des Wassers und der Definition des pH-Wertes basiert. Die Grenzen resultieren aus den maximal erreichbaren Konzentrationen von Wasserstoff- und Hydroxidionen in reinem Wasser unter normalen Bedingungen. Obwohl pH-Werte außerhalb dieses Bereichs möglich sind, werden sie in der Regel mit starken Säuren und Basen in sehr hohen Konzentrationen in Verbindung gebracht und erfordern eine genauere Betrachtung der Ionenaktivität. Die logarithmische Natur der Skala ermöglicht es uns, einen breiten Bereich von Säure- und Basenstärken übersichtlich darzustellen.

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