Der pH-Wert

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der H₃O⁺ Konzentration. Er ist ein Mass für den sauren & basischen Charakter einer wässrigen Lösung (nur von wässrigen Lösungen).

pH = - log [H₃O⁺]

^{Die Herleitung dazu befindet sich im Kapitel Berechnen und Messen des pH-Werts}

Mass für den pH-Wert

Mischt man dem Ampholyten Wasser eine Säure oder Base bei, so reagiert Wasser mit der beigegebenen Substanz.

Säure in Wasser: HA + H₂O ⇌ A^- + H₃O⁺ (Säure + Wasser ⇌ Base +Oxonium-Ion)

Idee: Je mehr H₃O⁺ desto sauerer ist die Lösung.

Base in Wasser: A^- + H₂O ⇌ HA + OH ^- (Base + Wasser ⇌ Säure +Hydroxid-Ion)

Idee: Je mehr OH ^- desto basischer ist die Lösung.

Autoprotolyse von Wasser

Autoprotolyse von H₂O

Autoprotolyse: H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH ^-

Wenn zwei Wassermoleküle in einem bestimmten Winkel aufeinandertreffen entstehen bei dieser Kollision je ein Oxonium- & Hydroxid-Ion. Die Konzentration dieser beider Ionen ist in reinem Wasser gleich (Ionengleichgewicht, welches in jeder basischen/saueren Lösung gilt). Danke diesem Gleichgewicht kann man von der einen Konzentration auf die andere schliessen (im Verhältnis zu H₂O ist die Konzentration jedoch sehr gering, da die Reaktion sehr linkslastig ist). Man kann K mit Hilfe der elektr. Leitfähigkeit berechnen (Siehe: Berechnen und Messen des pH-Werts). Denn wegen den Ionen die bei der Autoprotolyse entstehen, ist selbst reines Wasser leicht elektr. Leitfähig.

Die Wasserkonzentration ist eigentlich nicht konstant und hängt davon ab, wieviel Säure/Base Wasser beigefügt wird. Solange man jedoch nicht mehr als 1 Mol Säure/Base hinzugibt, kann man davon ausgehen, dass die Wasserkonzentration konstant ist (da die Ungenauigkeit relativ klein ist). Diese Voraussetzung ist wichtig, damit der pH-Wert Gültigkeit hat.

Daraus ergibt sich die Konzentration von H₃O⁺ & OH ^-, welche in reinem Wasser bei je 10^-7 M (=Mol/Liter) liegt.

Zum besseren Verstehen der Autoprotolyse ist dieses Video sehr zu empfehlen!

Wegen der Autoprotolyse von Wasser ist destiliertes Wasser nicht ionenfrei. Wird nun eine Säure beigefügt, so steigt die Konzentration von H₃O⁺ während die Konzentration von OH ^- sinkt. Um den pH-wert zu berechnen verwendet man die H₃O⁺ Konzentration (Dies wurde so definiert, es könnte ebenso gut die OH ^- Konzentration verwendet werden).

Grenzbereich des pH-Wertes

ph-Werte Skala

Da KW = [H₃O⁺] * [OH ^-] = 10 ^-14 konstant bleibt, ist die maximal mögliche Konzentration 10⁰ Mol (=1) * 10 ^-14 Mol = 10 ^-14 Mol und die minimal mögliche Konzentration 10 ^-14 * 10⁰ = 10 ^-14 Mol.

Die H₃O⁺ Konzentrationen gehen daher von 10⁰ bis 10 ^-14 . Da der pH-Wert der negative (dekadische) Logarithmus der H₃O⁺ Konzentration ist geht dieser von 0 bis 14. Dabei ist 0 am sauersten und 14 am basischsten.

Fügt man die maximale Säuremenge 1 Mol hinzu, so ist die H₃O⁺ Konzentration auch maximal und der pH-Wert somit 0.

Fügt man die maximale Basemenge 1 Mol hinzu, so ist die H₃O⁺ Konzentration minimal und der pH-Wert somit 14.

Zusammenfassung: Video von the Simple Chemics

Autoprotolyse von Wasser

Link: Autoprotolyse von Wasser

Das Video beginnt mit einer Einführung zur elektrischen Leitfähigkeit von Wasser. Danach wird der Begriff Autoprotolyse definiert und ausführlich erklärt. Dabei zeigen sie auch das Massenwirkungsgesetz auf und dessen Bezug zu der Gleichgewichtsreaktion. Dann wird Schritt für Schritt erklärt, wie das Ionenprodukt hergeleitet wird. Am Schluss erklären sie noch die Relevanz vom Ionenprodukt im Bezug auf den pH-Wert.

Zu beachten:

• Im Video wird das Massenwirkungsgesetz zwar benutzt, aber nie als solches bezeichnet. Das Massenwirkungsgesetz ist allgemein definiert als: Konzentration der Produkte geteilt durch die Konzentration der Edukte.
• Die Kriterien für die elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten werden nicht erwähnt. Damit eine Flüssigkeit elektrisch leitfähig ist, muss sie frei bewegliche, geladene Teilchen beinhalten.
• Der Grenzbereich des pH-Wert wird nicht erwähnt. Die maximal mögliche Konzentration von Wasser, damit das Prinzip des Ionenprodukts immer noch funktioniert, ist 1M.

Besonders nützlich:

• Es wird sehr ausführlich gezeigt, wie man auf die Konzentration von H₂0 kommt.
• Die Herleitung des Ionenprodukts wird Schritt für Schritt gezeigt, so dass man alles sehr gut nachvollziehen kann.

Quellen

• Notizen aus dem Unterricht von R. Deuber

• Video: The Simple Chemics