Ein pH-Wert ist ein Maß für die Wasserstoffionen-Konzentration einer Lösung. Die Formel lautet: pH = -log c. Daraus ergibt sich, dass c = 10^-pH ist. Dies ist die Grundlage für die nachfolgenden Berechnungen die häufig in Laborarbeiten vorkommen. Nun sind zwei Aufgaben zu betrachten ´ um zu verstehen ` ebenso wie Verdünnung wirkt.
Aufgabe 1: Verdünnung von pH 1 auf pH 4
Zunächst betrachtet man die Aufgabe, in der ein Milliliter einer sauren Lösung mit einem pH-Wert von 1 verdünnt werden soll. Ein pH-Wert von 1 bedeutet, dass die Lösung eine Konzentration von 10^-1 mol/L Wasserstoffionen (H+) hat. Daraus folgt, dass 1ml dieser Lösung 0⸴1 mol/L enthält. Um von pH 1 auf pH 4 zu gelangen, benötigt man eine Lösung mit einer H+-Konzentration von 10^-4 mol/L.
Die Berechnung verläuft in folgenden Schritten:
1. 1ml (pH 1): c = 0⸴1 mol/L = 10^-1 mol/L H+
2. Ziel-pH = 4: c = 10^-4 mol/L
3. Es sind 0⸴0001 mol auf 1 Liter erforderlich um pH 4 zu erreichen.
Rechnerisch benötigt man die Gesamtmenge an Lösung:
Um auf 1000ml zu kommen, sind 999ml Wasser erforderlich, das heißt – für eine endliche verringerte Konzentration sollte 1ml der Lösung mit 999ml Wasser gemischt werden. (Das ergibt pH 4 und annähernd 10^-4 mol/L H+.)
Eine große Herausforderung besteht darin, dass ebenfalls das Wasser selbst H+-Ionen enthält. Dies muss in der Berechnung berücksichtigt werden.
Aufgabe 2: Verdünnung von pH 5 auf pH 7
Die zweite Aufgabe umfasst die Verdünnung von 3ml einer Lösung mit pH 5, ähnlich wie mit dem Ziel, sie neutral (pH 7) zu machen. Bei pH 5 beträgt die H+-Ionen-Konzentration 10^-5 mol/L. Sehr wichtig ist es zu beachten, dass diese Lösung bereits eine bestimmte Anzahl an H+-Ionen beinhaltet die bei der Berechnung zu berücksichtigen ist:
1. 3ml (pH 5): c = 10^-5 mol/L.
2. Daraus folgt, dass die H+-Ionen-Anzahl in 3ml = 3 10^-5 mol/1000ml = 3 10^-8 mol ist.
Man bringt die Konzentration auf 10^-7 mol/L H+-Ionen was wasserneutral ist. Zu diesem Zweck kann folgende Gleichung verwendet werden:
V (unbekanntes Volumen) + 300ml = V ml = 3 10^-8 / 10^-7 1000 = 300ml.
Das bedeutet, man muss 297ml Wasser der Ausgangslösung hinzufügen um die gewünschte pH-Neutralität zu erreichen.
Ein zusätzlicher Aspekt: Der Einfluss des Wassers
Wasser hat einen pH-Wert von 7 und enthält bereits eigene H+-Ionen. Deshalb könnte der Ansatz, Wasser in geringer Menge hinzuzufügen, zu Problemen führen, wenn eine präzise Kontrolle über die pH-Werte verlangt wird. Für Laborversuche ist es jedoch genügend, zu wissen, dass durch diese Verdünnung ein pH-Wert erreicht werden kann.
Zusammengefasst führen diese Ansätze zu einfachen Berechnungsmethoden um die gewünschten pH-Werte durch Verdünnung zu erreichen. Es empfiehlt sich – diese Prinzipien zu verinnerlichen.