Säuren und Basen. Der ph-wert Zur Feststellung, ob eine Lösung sauer oder basisch ist genügt es, die Konzentration der H 3 O H 3 O + + OH -

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1 Der ph-wert Zur Feststellung, ob eine Lösung sauer oder basisch ist genügt es, die Konzentration der H 3 O + (aq)-ionen anzugeben. Aus der Gleichung: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - c(h 3 O + ) c(oh - ) K = c 2 (H 2 O) folgt: K c 2 (H 2 O) = K W = c(h 3 O + ) c(oh - )= K W = Ionenprodukt des Wassers (bei 22 C = mol 2 / l 2 ) Um mit vernünftigen Zahlenwerten zu rechnen wird logarithmiert. Dabei wird die Konzentration der H 3 O + Ionen als ph Wert bezeichnet. ph = - lg c(h 3 O + ) 1

2 Aus dem Ionenprodukt des Wassers erhält man durch Logarithmieren: lg [H 3 O + ] + lg [OH - ] = -14 (-1) -lg [H 3 O + ] - lg [OH - ] = 14 Definition anwenden ph + poh = 14 Von der wörtlichen Definition her könnten auch ph-werte < 0 und > 14 errechnet werden. In der Praxis sind jedoch durch die Löslichkeit der Säuren und Basen Grenzen gesetzt. Eine Säure mit dem ph-wert -3 hätte eine H 3 O + Konzentration von 1000 mol/l. In einem Liter Salzsäure wären 1000 mol HCl gelöst. Das sind 36 kg! 2

3 Der ph-wert Entsprechend gilt für die OH - Konzentration: poh = - lg c(oh - ) Der ph Wert ist der negative, dekadische Logarithmus von Oxoniumionen Konzentration. Entsprechend ist der poh Wert der negative, dekadische Logarithmus der Hydroxidionen Konzentration. 3

4 Der ph-wert poh = - lg c(oh - ) 4

5 Die Stärke von Brönsted Säuren Wie beim ph Wert gibt man statt dem K S Wert häufig dessen negativen dekadischen Logarithmus pk S an. pk S = -lg K S Je stärker eine Säure ist desto mehr H 3 O + Ionen werden entstehen. Gemäß dem MWG kann man eine stärkere Säure an ihrer größeren Säurekonstante K S oder am kleineren pk S -Wert erkennen. Bei starken Säuren ist K S > 10 und pk S < -1 Übrigens: wird die Stärke der Base beschrieben, verwendet man den K B Wert bzw. den pk B Wert. Basen protolysieren nach Brönsted in Wasser: B + H 2 O BH + + OH - c(bh + ) c(oh - ) MWG: K = c(b) c(h 2 O) c(bh + ) c(oh - ) K c(h 2 O) = = K B c(b) 5

6 Berechnung von ph-werten ph Werte starker Säuren und Basen Starke Säuren (Basen) pk S < 1 (pk B <1), d. h. sie liegen vollständig protolysiert vor. Damit ist die Konzentration von H 3 O + - Ionen und OH - - Ionen gleichzusetzen mit der Konzentration der eingesetzten Säuren. Bsp.: Salzsäure (0,01 mol/l) in wässriger Lösung c(h 3 O + ) = c 0 (HA) = 0,01 mol/l = 10-2 mol/l ph = -lg c(h 3 O + ) = 2 Bsp.: Natronlauge (0,01 mol/l) in wässriger Lösung c(oh - ) = c 0 (Base) = 0,01 mol/l = 10-2 mol/l poh = -lg c(oh - ) = 2 ph + poh = pk W = 14 Mithilfe des Ionenprodukts des Wassers ph = pk W poh = 14 2 = 12 6

7 Berechnung von ph-werten ph Werte schwacher Säuren und Basen Schwache Säuren (Basen) protolysieren in Wasser nicht vollständig. Man muss das Protolysegleichgewicht betrachten. Mit Hilfe des MWG kann das Protolysegleichgewicht errechnet werden: HA + H 2 O H 3 O + + A - c(h 3 O + ) c(a - ) K = c(ha) c(h 2 O) c 2 (H 3 O + ) K [c(h 2 O)] = = Ks c(ha) K S [c(ha)] = c 2 (H 3 O + ) Da aus einem Teilchen Säure jeweils ein Oxonium-Ion und ein Säurerest-Ion entstehen, ist c(h 3 O + ) = c(a - ) In verdünnten Lösungen wird die Konzentration des Wassers in die Konstante mit einbezogen Logarithmieren und umstellen pk S lg c(ha) = 2 ph ph = [pk S lg c(ah)]/2 7

8 Säuren Base Titration Wird eine starke Säure unbekannter Konzentration mit einer starken Base bekannter Konzentration titriert, werden Oxonium- Ionen mit den Hydroxid-Ionen unter Bildung von Wasser protolysiert. Der ph-wert steigt an Der Punkt, an dem die Stoffmenge an zugegebener Maßlösung exakt der Stoffmenge an unbekannter Säure bzw. Base entspricht, wird als Äquivalenzpunkt bezeichnet. 8

9 Pufferlösungen Pufferlösungen dienen dazu, ph Werte konstant zu halten. Eine Pufferlösung besteht aus einer schwachen Brönsted Säure bzw. Base und ihrer korrespondierender Base bzw. Säure. Gebräuchliche Puffer sind z. B. NH 3 /NH 4+ oder HPO 4 2- /H 2 PO 4- - Lösungen. 9

10 Pufferlösungen Zur Berechnung des ph Wertes einer Pufferlösung wird wieder das Massenwirkungsgesetz formuliert. HA + H 2 O H 3 O + + A - c(h 3 O + ) c(a - ) K S = c(ha) c(ha) c(h 3 O + ) = K S c(a - ) Die logarithmische Form dieser Gleichung wird als Henderson Hasselbach Gleichung bezeichnet c(ha) ph = pk S lg c(a - ) Die höchste Pufferkapazität haben Pufferlösungen wenn ihr ph Wert in der Nähe ihres pks Wertes liegt. 10