Biologie für Hauptfach I

Der pH-Wert einer Lösung gibt ihren Säuregrad oder ihre Alkalität an.

\text{H}_2\text{O}\left(\text{I}\right)\longleftrightarrow\text{H}^{+}\left(aq\right)+\text{OH}^{-}\left(aq\right)

Litmus- oder pH-Papier ist Filterpapier, das mit einem natürlichen, wasserlöslichen Farbstoff behandelt wurde, damit es als pH-Indikator verwendet werden kann, um zu testen, wie viel Säure (Acidität) oder Base (Alkalität) in einer Lösung vorhanden ist. Vielleicht haben Sie sogar schon einmal damit getestet, ob das Wasser in einem Schwimmbad richtig aufbereitet ist. In beiden Fällen misst der pH-Test die Wasserstoffionenkonzentration in einer bestimmten Lösung.

Wasserstoffionen entstehen in reinem Wasser spontan durch die Dissoziation (Ionisierung) eines kleinen Prozentsatzes der Wassermoleküle in eine gleiche Anzahl von Wasserstoff (H+)-Ionen und Hydroxid (OH-)-Ionen. Während die Hydroxid-Ionen durch ihre Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Wassermolekülen in Lösung gehalten werden, werden die Wasserstoff-Ionen, die aus nackten Protonen bestehen, sofort von nicht ionisierten Wassermolekülen angezogen und bilden Hydronium-Ionen (H3O+). Dennoch bezeichnen Wissenschaftler die Wasserstoffionen und ihre Konzentration so, als ob sie in diesem Zustand im flüssigen Wasser frei wären.

Die Konzentration der Wasserstoffionen, die aus reinem Wasser dissoziieren, beträgt 1 × 10-7 Mol H+-Ionen pro Liter Wasser. Mit Molen (mol) wird die Menge eines Stoffes (Atome, Moleküle, Ionen usw.) ausgedrückt, wobei ein Mol 6,02 x 1023 Teilchen des Stoffes entspricht. Daher entspricht 1 Mol Wasser 6,02 x 1023 Wassermolekülen. Der pH-Wert wird als das Negativ des Logarithmus zur Basis 10 dieser Konzentration berechnet. Der log10 von 1 × 10-7 ist -7,0, und das Negativ dieser Zahl (angegeben durch das „p“ von „pH“) ergibt einen pH-Wert von 7,0, der auch als neutraler pH-Wert bezeichnet wird. Der pH-Wert in den menschlichen Zellen und im Blut sind Beispiele für zwei Bereiche des Körpers, in denen ein nahezu neutraler pH-Wert aufrechterhalten wird.

Nicht neutrale pH-Werte entstehen, wenn sich Säuren oder Basen in Wasser auflösen. Wenn man den negativen Logarithmus verwendet, um positive ganze Zahlen zu erzeugen, ergeben hohe Wasserstoffionenkonzentrationen einen niedrigen pH-Wert, während niedrige Wasserstoffionenkonzentrationen zu einem hohen pH-Wert führen. Eine Säure ist eine Substanz, die die Konzentration von Wasserstoffionen (H+) in einer Lösung erhöht, indem sie in der Regel eines ihrer Wasserstoffatome dissoziieren lässt. Eine Base liefert entweder Hydroxid-Ionen (OH-) oder andere negativ geladene Ionen, die sich mit Wasserstoff-Ionen verbinden, deren Konzentration in der Lösung verringern und dadurch den pH-Wert erhöhen. In den Fällen, in denen die Base Hydroxidionen freisetzt, binden sich diese Ionen an freie Wasserstoffionen und bilden neue Wassermoleküle.

Abbildung 1. Die pH-Skala misst die Konzentration von Wasserstoffionen (H+) in einer Lösung.

Je stärker die Säure ist, desto bereitwilliger gibt sie H+ ab. Salzsäure (HCl) beispielsweise dissoziiert vollständig in Wasserstoff- und Chloridionen und ist stark sauer, während die Säuren in Tomatensaft oder Essig nicht vollständig dissoziieren und als schwache Säuren gelten.

Umgekehrt sind starke Basen solche Stoffe, die leicht OH- abgeben oder Wasserstoffionen aufnehmen. Natriumhydroxid (NaOH) und viele Haushaltsreiniger sind stark alkalisch und geben schnell OH- ab, wenn sie in Wasser gegeben werden, wodurch sich der pH-Wert erhöht. Ein Beispiel für eine schwach basische Lösung ist Meerwasser, dessen pH-Wert nahe bei 8,0 liegt, nahe genug am neutralen pH-Wert, dass Meeresorganismen, die an diese salzhaltige Umgebung angepasst sind, darin gedeihen können.

Die pH-Skala ist, wie bereits erwähnt, ein umgekehrter Logarithmus und reicht von 0 bis 14 (Abbildung 1). Alles unter 7,0 (von 0,0 bis 6,9) ist sauer, und alles über 7,0 (von 7,1 bis 14,0) ist alkalisch. Extreme pH-Werte, die von 7,0 abweichen, werden in der Regel als lebensfeindlich angesehen. Der pH-Wert im Inneren der Zellen (6,8) und der pH-Wert im Blut (7,4) liegen beide sehr nahe an der Neutralität.

Das Milieu im Magen ist jedoch sehr sauer, mit einem pH-Wert von 1 bis 2. Wie überleben die Zellen des Magens in einer so sauren Umgebung? Wie halten sie homöostatisch den nahezu neutralen pH-Wert in ihrem Inneren aufrecht? Die Antwort ist, dass sie dazu nicht in der Lage sind und ständig absterben. Es werden ständig neue Magenzellen produziert, um abgestorbene zu ersetzen, die von der Magensäure verdaut werden. Man schätzt, dass die Magenschleimhaut des menschlichen Magens alle sieben bis zehn Tage vollständig erneuert wird.

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