27Protolysegleichgewichte –Konzentrationsbestimmungen Je mehr Salze im Wasser gelöst sind (V1), umso höher ist die Leitfähigkeit einer Wasserprobe. Genaue Messungen an reinstem Wasser zeigen, dass auch dieses eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Es muss also Ionen enthalten. Dabei handelt es sich um Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen. Sie bilden sich bei der Autoprotolyse2 des Wassers: H2O + H2O H3O+ + OH– Säure I Base II Säure II Base I Anhand der Gleichung wird deutlich, dass ein Wasser-Molekül sowohl als Protonen-Donator als auch als Protonen-Akzeptor wirken kann. Es wird als Ampholyt (amphoteres Teilchen)3 bezeichnet. Das Autoprotolysegleichgewicht des Wassers liegt sehr stark auf der linken Seite. Die Rückreaktion (Neutralisationsreaktion) ist gegenüber der Hinreaktion stark bevorzugt. Der Wert der Gleichgewichtskonstanten K konnte aus Leitfähigkeitsmessungen bestimmt werden: K = = 3,258 · 10–18 ( = 22°C) Die Konzentration von Wasser bei 22°C ist c(H2O) = 55,398 mol/L. Die Konzentration ergibt sich aus der Masse von 1 L Wasser m(H2O) = 998 g und der molaren Masse M(H2O) = 18 g/mol. Die Abnahme der Stoffmenge n(H2O) durch die Hinreaktion des Autoprotolysegleichgewichts ist so gering, dass sie sich selbst auf die dritte Stelle hinter dem Komma bei c(H2O) nicht auswirkt. Man bezieht daher die Konzentration des Wassers in die Gleichgewichtskonstante K mit ein und erhält eine neue, temperaturabhängige Kons tante Kw: K · c2(H2O) = c(H3O+) · c(OH–) = Kw Durch Einsetzen der Zahlenwerte für K und c(H2O) folgt: Kw = c(H3O+) · c(OH–) = 10–14 mol2 · L–2 ( = 22°C) Da die Konstante Kw das Produkt der Konzentrationen der im Wasser enthaltenen Ionen angibt, spricht man vom Ionenprodukt des Wassers. Dieser Wert gilt nicht nur für reines Wasser, sondern auch für verdünnte wässrige Lösungen bei = 22°C. Mit dem Ionenprodukt ist jeder Oxonium-Ionenkonzentration eine Hydroxid-Ionenkonzentration zugeordnet und umgekehrt (B4). Um die Oxonium-Ionenkonzentration c(H3O+) einer Lösung durch eine kleine positive Zahl angeben zu können, hat man den pH-Wert4 einer Lösung definiert5: pH = –lg {c(H3O+)} Der pH-Wert ist der negative Zehnerlogarithmus des Zahlenwerts der Konzentration der Oxonium-Ionenkonzentration einer Lösung. Autoprotolyse des Wassers und pH-Wert B4 Zusammenhang zwischen OxoniumIonenkonzentration, pH-Wert, HydroxidIonenkonzentration und pOH-Wert. Die Konzentrationen der Ionen sind in mol/L angegeben. A: Addieren Sie zeilenweise den pH-Wert und den pOH-Wert und erklären Sie den Zusammenhang, der sich ergibt. Fachbegriffe Autoprotolyse, Ampholyt, amphoteres Teilchen, Ionenprodukt des Wassers Kw, pH-Wert, pOH-Wert 2 von auto (griech.) = selbst; 3 von amphoteros (griech.) = auf beiderlei Art; 4 pH kommt von puissance de hydrogène (franz.) oder pondus hydrogenii (lat.) = Hochzahl des Wasserstoffs; 5 Die geschwungenen Klammern geben an, dass nur der Zahlenwert von c(H3O+) logarithmiert wird. c(H3O+) · c(OH–) c2(H2O) c(H3O+) 100 = 1 10–1 10–2 10–3 10–4 10–5 10–6 10–7 10–8 10–9 10–10 10–11 10–12 10–13 10–14 pOH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 c(OH–) 10–14 10–13 10–12 10–11 10–10 10–9 10–8 10–7 10–6 10–5 10–4 10–3 10–2 10–1 100 = 1 sauer neutral alkalisch Aufgaben A1 Berechnen Sie mithilfe des Ionenprodukts Kw die Konzentration der Oxonium-Ionen c(H3O+) in reinem Wasser bei q = 22°C. A2 Analog zum pH-Wert definiert man den pOH-Wert als den negativen dekadischen Logarithmus der Konzentration der Hydroxid-Ionen: pH = –lg {c(OH–)}. Erläutern Sie, welchen pOH-Wert eine neutrale Lösung hat. 3377_01_01_2012_Kap1_018_057 23.09.14 06:25 Seite 27 Nu r z u Pr üf zw ec ke Ei ge nt um d es C .C . B uc hn er V er la gs