pH-Skala: Unterrichtsplan mit interaktiver Simulation
Aktualisiert am 2026-10-02
Dieser Unterrichtsplan zur pH-Skala nutzt eine kostenlose interaktive Simulation, um die beiden Ideen anzugehen, die Lernenden beim pH-Wert am schwersten fallen: dass jeder Schritt auf der Skala zehnmal mehr oder weniger H₃O⁺ bedeutet und dass Wasserzugabe eine Lösung in Richtung 7 verschiebt, aber nie darüber hinaus. Die Lernenden messen Flüssigkeiten des Alltags, verdünnen sie, lesen Ionenkonzentrationen auf einer logarithmischen Skala ab und stellen den pH-Wert von Hand ein. Sie erhalten Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagen, eine Aktivität Schritt für Schritt mit den Werten, die die Lernenden sehen sollten, ein Fragenset mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Erweiterung zu starken und schwachen Säuren und Ideen zur Differenzierung. Jeder Wert stammt aus dem eigenen Modell der Simulation.
Die Stunde im Überblick
- Stufe: Klassen 7–10 (Alter 12–16), mit einer Erweiterung für die Klassen 11–12.
- Zeit: eine Unterrichtsstunde von 50–60 Minuten, plus eine optionale Erweiterung von 20 Minuten.
- Vorwissen: Säuren und Basen im Alltag, Indikatoren, Zehnerpotenzen.
- Format: Paare an Laptops, Tablets oder Smartphones, oder die ganze Klasse mit einem Beamer.
- Simulation: pH-Skala – Säuren und Basen messen und mischen. Erweiterung: Verdünnen von Säuren und Basen.
Lernziele
Am Ende der Stunde können die Lernenden:
- Lösungen anhand ihres pH-Werts als sauer, neutral oder basisch einordnen.
- erklären, dass eine Änderung um eine pH-Einheit eine Änderung von [H₃O⁺] um das Zehnfache bedeutet.
- vorhersagen, wie Wasserzugabe oder Weggießen den pH-Wert verändert.
- [H₃O⁺] und [OH⁻] aus dem pH-Wert ablesen und zeigen, dass ihr Produkt bei 10⁻¹⁴ bleibt.
- (Erweiterung) vergleichen, wie starke und schwache Säuren auf Verdünnung reagieren.
Was die Simulation leistet
Die Simulation hat drei Bildschirme:
- Makro: Wählen Sie eine von 12 Flüssigkeiten, von Batteriesäure (pH 1,0) bis Rohrreiniger (pH 13,0). Das Becherglas ist anfangs leer. Halten Sie Halten: Lösung zugeben oder Halten: Wasser zugeben gedrückt, um mit 0,1 L pro Sekunde bis zu 1,2 L einzugießen. Halten: ablassen lässt Lösung ab. Ziehen Sie die Sonde in die Flüssigkeit, um „Volumen im Becherglas: … L · pH = …“ mit zwei Dezimalstellen abzulesen.
- Mikro: dasselbe Becherglas, dazu ein Säulendiagramm der Konzentrationen von H₃O⁺, OH⁻ und H₂O in mol/L, auf logarithmischer oder linearer Skala. Die Anzeige gibt die Konzentrationen an, zum Beispiel 1,0 × 10⁻⁵ mol/L.
- Eigene Werte: 0,5 L Wasser, dessen pH-Wert Sie direkt mit den Pfeilen ▲ und ▼ (± 0,01) einstellen oder indem Sie die Balken für H₃O⁺ und OH⁻ ziehen.
Drei Details des Modells sind gut zu wissen:
- Die Auswahlliste zeigt den pH-Wert jeder Flüssigkeit. Das Messen einer unverdünnten Flüssigkeit bestätigt nur die Beschriftung, halten Sie diesen Teil also kurz und verwenden Sie die Zeit für die Verdünnung.
- Wasser bringt eigene Ionen mit. Zugegebenes Wasser enthält 10⁻⁷ mol/L H₃O⁺ und OH⁻. Weit entfernt von pH 7 spielt das keine Rolle. Nahe 7 schon, und die Lernenden werden es sehen.
- Jede Flüssigkeit hat einen festen Anfangs-pH und keinen Puffer. Echte Milch oder echtes Blut widerstehen pH-Änderungen; in der Simulation verdünnen sie sich wie jede andere Lösung. Das ergibt eine gute Frage: „Was lässt das Modell weg?“
Material und Vorbereitung vor dem Unterricht
Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Beamer), die Tabellen unten auf Papier und ein Taschenrechner.
Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):
- Öffnen Sie die Simulation auf dem Bildschirm Makro mit gewähltem Kaffee. Das sind die Standardwerte.
- Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Chemie · 2. Stunde“. Der Link legt diese Startwerte fest.
- Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und verknüpfen Sie es mit dem Link.
- Veröffentlichen Sie den Link oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.
Ablauf der Stunde
1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)
Fragen Sie: „Orangensaft hat pH 3,5 und Kaffee pH 5,0. Wie viel saurer ist der Saft?“ Die meisten Lernenden denken, ein niedrigerer pH-Wert sei „etwas saurer“. Dann legen sie sich auf zwei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:
- P1. „Sie geben Wasser in eine Tasse Kaffee (pH 5,0). Der pH-Wert wird … unter 5 fallen / bei 5,0 bleiben / in Richtung 7 steigen / über 7 steigen.“
- P2. „Sie gießen die Hälfte des Orangensafts weg. Der pH-Wert … steigt / bleibt gleich / fällt / halbiert sich.“
Rechnen Sie bei P1 mit einigen „über 7 steigen“ und bei P2 mit vielen „halbiert sich“ oder „steigt“. Korrigieren Sie noch niemanden.
2. Die Flüssigkeiten einordnen (6 Minuten)
Die Paare gießen nacheinander etwa 0,3 L von fünf Flüssigkeiten ein, tauchen die Sonde ein und ordnen sie auf einem Zahlenstrahl von 0 bis 14: Batteriesäure 1,00, Orangensaft 3,50, Kaffee 5,00, Wasser 7,00, Flüssigseife 10,00. Die Anzeige stimmt genau mit der Beschriftung überein, weil noch nichts verdünnt wurde. Fragen Sie: „Wo würdet ihr Blut (7,40) und Milch (6,50) einordnen?“
3. Verdünnung: Daten erheben (15 Minuten)
Für jede Flüssigkeit drücken die Paare auf Zurücksetzen, halten etwa eine Sekunde lang Halten: Lösung zugeben gedrückt und notieren das Volumen (etwa 0,10 L). Dann halten sie Halten: Wasser zugeben gedrückt, bis das Volumen zehnmal so groß ist (etwa 1,00 L), und lesen den pH-Wert ab. Wenn sie bei der Lösung über das Ziel hinausschießen, zielen sie einfach auf das Zehnfache dessen, was sie erhalten haben. Die letzte Spalte ist für Sie; lassen Sie sie auf der Schülerkopie leer.
| Flüssigkeit | pH vorher | pH nach 10-facher Verdünnung | Erwartet nachher |
|---|---|---|---|
| Batteriesäure | 1,00 | 2,00 | |
| Orangensaft | 3,50 | 4,50 | |
| Kaffee | 5,00 | 5,96 | |
| Milch | 6,50 | 6,91 | |
| Speichel | 7,40 | 7,06 | |
| Flüssigseife | 10,00 | 9,00 | |
| Rohrreiniger | 13,00 | 12,00 |
Bitten Sie die Paare um zwei Muster. Gute Antworten: „Starke Säuren und Basen verschieben sich um genau eine Einheit“ und „Flüssigkeiten nahe 7 verschieben sich um weniger als eine Einheit, immer in Richtung 7.“
Warum 5,96 und nicht 6,00 beim Kaffee? Zehnmal weniger H₃O⁺ aus dem Kaffee ergibt 1,0 × 10⁻⁶ mol/L, aber das Wasser steuert ein wenig eigenes bei. Die Summe ist 1,1 × 10⁻⁶ mol/L, also beträgt der pH-Wert 5,96. Prüfen Sie jetzt P1.
Dann zwei kurze Tests:
- Gleiches Volumen Wasser (2-fache Verdünnung): Batteriesäure geht von 1,00 auf 1,30 und Kaffee von 5,00 auf 5,30. Eine Verdopplung des Volumens hebt den pH-Wert um 0,30, das ist lg 2, nicht 0,5.
- Halten: ablassen: Das Volumen sinkt, der pH-Wert bewegt sich nicht. Der pH-Wert misst die Konzentration, nicht die Menge. Prüfen Sie P2.
4. Mikro: Was eine pH-Einheit bedeutet (10 Minuten)
Wechseln Sie zu Mikro. Die Paare füllen das Becherglas mit jeder Flüssigkeit und übernehmen die Anzeige:
| Flüssigkeit | pH | [H₃O⁺] (mol/L) | [OH⁻] (mol/L) |
|---|---|---|---|
| Batteriesäure | 1,00 | 1,0 × 10⁻¹ | 1,0 × 10⁻¹³ |
| Orangensaft | 3,50 | 3,2 × 10⁻⁴ | 3,2 × 10⁻¹¹ |
| Kaffee | 5,00 | 1,0 × 10⁻⁵ | 1,0 × 10⁻⁹ |
| Wasser | 7,00 | 1,0 × 10⁻⁷ | 1,0 × 10⁻⁷ |
| Blut | 7,40 | 4,0 × 10⁻⁸ | 2,5 × 10⁻⁷ |
| Flüssigseife | 10,00 | 1,0 × 10⁻¹⁰ | 1,0 × 10⁻⁴ |
| Rohrreiniger | 13,00 | 1,0 × 10⁻¹³ | 1,0 × 10⁻¹ |
Fragen, die Sie stellen können:
- „Wie viel mal mehr H₃O⁺ hat Orangensaft als Kaffee?“ 3,2 × 10⁻⁴ ÷ 1,0 × 10⁻⁵ = 32. Ein Unterschied von 1,5 pH-Einheiten bedeutet etwa das 32-Fache, nicht das 1,5-Fache.
- „Batteriesäure gegen reines Wasser?“ 10⁻¹ ÷ 10⁻⁷ = 1 000 000-mal.
- „Multiplizieren Sie in einer beliebigen Zeile [H₃O⁺] mit [OH⁻]. Was erhalten Sie?“ Immer 10⁻¹⁴.
Entfernen Sie dann das Häkchen bei Log-Skala. Auf der linearen Skala schrumpfen die meisten Balken für H₃O⁺ und OH⁻ neben den 55,5 mol/L des Wassers auf nichts zusammen. Deshalb nutzt die Chemie eine logarithmische Skala.
5. Eigene Werte: den pH-Wert selbst einstellen (5 Minuten)
Auf Eigene Werte ziehen die Lernenden den H₃O⁺-Balken oder drücken die Pfeile, um Ziele zu treffen: „Stelle [H₃O⁺] = 1,0 × 10⁻³ mol/L ein“ (pH 3,00) und „Stelle [OH⁻] = 1,0 × 10⁻² mol/L ein“ (pH 12,00). Schnelle Lernende finden den pH-Wert, bei dem beide Konzentrationen gleich sind (7,00).
6. Abschlusscheck (5 Minuten)
Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten „Vorhersage“ und „Danach“ für P1 und P2 nebeneinander.
Fragenset für diese Stunde
Geben Sie diese Fragen auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Nutze die Bildschirme Makro und Mikro. Drücke vor jeder neuen Flüssigkeit auf Zurücksetzen. Tauche die Sonde in die Flüssigkeit, um den pH-Wert abzulesen.“
1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Du gibst Wasser in eine Tasse Kaffee (pH 5,0). Der pH-Wert wird …“
- Optionen: unter 5 fallen / bei 5,0 bleiben / in Richtung 7 steigen (richtig) / über 7 steigen
- Erklärung: „Wasser verdünnt die H₃O⁺-Ionen, ihre Konzentration sinkt also, und der pH-Wert steigt. Er nähert sich 7, überschreitet es aber nie, weil Wasser selbst neutral ist. Das Zehnfache des Volumens ergibt 5,96, nicht 6,00, weil das Wasser ein wenig eigenes H₃O⁺ beisteuert.“
2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Du gießt die Hälfte des Orangensafts weg. Der pH-Wert …“
- Optionen: steigt / bleibt gleich (richtig) / fällt / halbiert sich
- Erklärung: „Der pH-Wert hängt von der Konzentration der H₃O⁺-Ionen ab, nicht davon, wie viel Flüssigkeit es gibt. Beim Weggießen werden H₃O⁺ und Wasser im gleichen Verhältnis entfernt, also bleiben Konzentration und pH-Wert gleich.“
3. Zahl · Nach der Simulation
- Frage: „Gieße etwas Batteriesäure (pH 1,0) ins Becherglas. Gib Wasser zu, bis das Volumen zehnmal so groß ist. Welchen pH-Wert zeigt die Sonde?“
- Antwort: 2,00, Toleranz ± 0,05
- Erklärung: „Das Zehnfache des Volumens bedeutet zehnmal weniger H₃O⁺: von 10⁻¹ auf 10⁻² mol/L. Eine zehnfache Verdünnung hebt den pH-Wert einer starken Säure um genau eine Einheit, von 1,00 auf 2,00.“
4. Zahl · Nach der Simulation
- Frage: „Nutze den Bildschirm Mikro. Wie viel mal größer ist [H₃O⁺] in Orangensaft (pH 3,5) als in Kaffee (pH 5,0)?“
- Antwort: 32, Toleranz ± 2
- Erklärung: „Orangensaft hat 3,2 × 10⁻⁴ mol/L und Kaffee 1,0 × 10⁻⁵ mol/L, das Verhältnis ist also 32. Jede pH-Einheit ist ein Faktor 10, also sind 1,5 Einheiten 10^1,5 ≈ 32.“
5. Kurzantwort · Nach der Simulation
- Frage: „Erkläre, warum Wasserzugabe den pH-Wert einer Säure nie über 7 heben kann.“
- Akzeptierte Antworten (optional): leer lassen und die Antworten selbst lesen.
- Musterantwort: „Wasser ist neutral, mit 10⁻⁷ mol/L H₃O⁺. Die Zugabe senkt die H₃O⁺-Konzentration der Säure in Richtung dieses Werts, aber nie darunter, also nähert sich der pH-Wert immer mehr der 7, ohne sie zu überschreiten.“
Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden. Der Leitfaden zur formativen Leistungsbewertung zeigt, wie Sie die Ergebnisse klassenübergreifend vergleichen.
Erweiterung: starke und schwache Säuren
Öffnen Sie für die Klassen 10–12 oder eine zweite Stunde die Verdünnungssimulation. Die Lernenden wählen einen gelösten Stoff und eine Anfangskonzentration und drücken dann auf 1× verdünnen oder Start (fortlaufend). Eine Tabelle hält den pH-Wert nach jedem Schritt fest, und ein Diagramm trägt den pH-Wert gegen den Verdünnungsfaktor auf logarithmischer Skala auf.
Beginnen Sie bei 0,1 M mit Zehnerschritten:
| Verdünnung | 1 | 10× | 100× | 1000× | 10⁴× | 10⁵× | 10⁶× | 10⁷× |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HCl | 1,00 | 2,00 | 3,00 | 4,00 | 5,00 | 6,00 | 6,79 | 6,98 |
| CH₃COOH | 2,88 | 3,39 | 3,91 | 4,47 | 5,15 | 6,02 | 6,79 | 6,98 |
Fragen, die Sie stellen können:
- „Warum beträgt der pH-Wert von Ethansäure bei 0,1 M 2,88 und nicht 1,00?“ Nur etwa 1,3 % der Moleküle ionisieren, also hat HCl etwa 76-mal mehr H⁺.
- „Warum hebt eine zehnfache Verdünnung Ethansäure nur um etwa 0,5?“ Die Verdünnung verschiebt das Gleichgewicht: Der ionisierte Anteil steigt von etwa 1,3 % auf etwa 4,1 %, was das entfernte H⁺ teilweise ersetzt.
- „Was geschieht nach 10⁶×?“ Beide Kurven biegen zu 7 hin und überschreiten es nie. Setzen Sie ein Häkchen bei Kurven aller 4, um zu zeigen, dass sich NaOH und Ammoniak von oben an 7 nähern.
Differenzierung
Unterstützung:
- Nutzen Sie in der Verdünnungstabelle nur Batteriesäure, Kaffee und Rohrreiniger.
- Geben Sie die Volumina vor: „0,10 L Lösung, dann Wasser bis 1,00 L.“
- Geben Sie Satzanfänge: „Als ich Wasser zugegeben habe, bewegte sich der pH-Wert in Richtung …“
- Nutzen Sie zuerst den Bildschirm Eigene Werte, damit die Lernenden pH-Wert und Farbe verbinden, bevor sie etwas berechnen.
Herausforderung:
- Sagen Sie den pH-Wert von Kaffee voraus, der um das 120-Fache verdünnt ist (0,01 L aufgefüllt auf 1,20 L), bevor Sie ihn testen. Die Simulation zeigt 6,74, nicht 7,08.
- Berechnen Sie den pH-Wert des verdünnten Kaffees aus 1,0 × 10⁻⁶ + 0,9 × 10⁻⁷ mol/L, bevor Sie ihn ablesen.
- Erklären Sie, warum sich Blut in einem echten Labor anders verhalten würde (Puffer).
Lernende mit Deutsch als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit ihnen die Beschriftungen vertraut sind, während das Gespräch auf Deutsch bleibt.
Zuordnung zu Standards
Diese Stunde passt zu Einheiten über Säuren und Basen in der Chemie der Sekundarstufe, etwa dem Thema Säuren und Laugen im GCSE Chemistry (Großbritannien) oder einem einführenden Chemiekurs der Oberstufe. Die NGSS (US-Standards für die Naturwissenschaften) haben keine eigene Leistungserwartung zum pH-Wert, wir behaupten also keine. Die Stunde übt drei NGSS-Praktiken: Modelle entwickeln und nutzen, Daten analysieren und interpretieren sowie Mathematik und algorithmisches Denken einsetzen.
Weitere Chemieaktivitäten finden Sie in Ideen für interaktiven Chemieunterricht. Zu Unterrichtsroutinen wie Demos am Beamer und Partnerarbeit lesen Sie Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen.
Häufige Fragen
Warum zeigt verdünnter Kaffee 5,96 statt 6,00?
Das zugegebene Wasser enthält 10⁻⁷ mol/L H₃O⁺. Neben den 10⁻⁶ mol/L des Kaffees nach der Verdünnung senkt diese kleine zusätzliche Menge den pH-Wert ein wenig. Bei einer starken Säure wie Batteriesäure ist sie viel zu klein, um aufzufallen.
Warum ändert das Ablassen den pH-Wert nicht?
Beim Ablassen werden gelöster Stoff und Wasser im gleichen Verhältnis entfernt, die Konzentration von H₃O⁺ bleibt also gleich. Der pH-Wert hängt von der Konzentration ab, nicht vom Volumen.
Muss ich vorher Logarithmen unterrichten?
Nein. Die Lernenden brauchen nur Zehnerpotenzen. Der Bildschirm Mikro zeigt jede Konzentration als Zehnerpotenz, sodass „eine pH-Einheit bedeutet das Zehnfache“ aus den Daten hervorgeht.
Können die Lernenden diese Stunde auf Smartphones durchführen?
Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto, und die Halten-Schaltflächen und die Sonde funktionieren auf Touchscreens. An einem Tablet oder Laptop lässt sich das Säulendiagramm auf dem Bildschirm Mikro leichter lesen.