Autoprotolyse des Wassers – pH-Wert

Guten Tag und herzlich Willkommen. Dieses Video heißt: Autoprotolyse des Wassers- pH-Wert. Wünschenswerte Vorkenntnisse für das Verstehen dieses Videos sind: Säuren und Basen nach Brønsted, sowie konjugierte Säuren-Basen-Paare. Ziel des Videos ist, Euch das Wesen der Autoprotolyse des Wassers zu erklären und die Sinnfälligkeit des pH-Wertes klar zu machen. Der Film gehört zur Reihe Säuren und Basen. Das Video besteht aus sechs Abschnitten: Autoprotolyse, Ionenprodukt des Wassers, PH-Wert, POH-Wert, Aktivitätskoeffizient und Zusammenfassung. Autoprotolyse: Ein Wassermolekül kann sich je nach Bedingungen unterschiedlich verhalten. Zum einen kann eine Wasserteilchen in ein Proton und ein Hydroxidion dissoziieren. Damit verhält es sich wie eine typische Säure nach Brønsted. Eine zweite Möglichkeit ist die Aufnahme eines Protons. Im Ergebnis entsteht ein Hydroniumion. Hier verhält sich das Wassermolekül wie eine typische Base nach Brønsted. Wasser zeigt somit amphoteres Verhalten. Das Wassermolekül ist demzufolge ein Ampholyt. Wir wollen die beiden Reaktionsgleichungen addieren. So ähnlich, wie wir auch zwei Gleichungen in der Mathematik addieren. Dafür ist es erforderlich, die beiden Seiten der Reaktionsgleichungen zu addieren. Man sieht sofort, dass auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung ein Proton enthalten ist. Dieses können wir herausstreichen. Es geht natürlich nicht verloren, sondern symbolisiert den Protonenübergang vom Wassermolekül zu dem zweiten Wassermolekül. Schauen wir einmal, was übrigbleibt. Ein Wassermolekül blau, reagiert mit einem zweiten Wassermolekül, hier rot gekennzeichnet, und steht damit im Gleichgewicht mit einem Hydroniumion, H₃ O+, und einem Hydroxidion OH-. Diese chemische Reaktion bezeichnet man als Autoprotolyse. Ionenprodukt des Wassers: Nach dem Massenwirkungsgesetz MWG gilt: Die Gleichgewichtskonstante groß K ist gleich: Im Zähler des Bruches stehen Konzentration der Hydroniumionen, H₃ O+, multipliziert mit der Konzentration der Hydroxidionen, OH-. Im Nenner stehen: Konzentration der Wasserteilchen, H₂ O, multipliziert mit der Konzentration der Wasserteilchen, H₂ O. Wir multiplizieren beide Seiten der Gleichung mit dem Wert des Nenners und erhalten: Die Konzentration der Wasserteilchen zum Quadrat mal K ist gleich Konzentration der Hydroniumionen mal Konzentration der Hydroxidionen. Aus Versuchen zur elektrischen Leitfähigkeit des Wassers weiß man, dass die Konzentration der Wasserteilchen im Wasser viel größer ist, als die Konzentration der Ionen. Also als der Hydroniumionen und Hydroxidionen. Davon ausgehend kann man die Konzentration der Wasserteilchen als konstant ansehen. Wir führen für [H₂O]² mal K eine neue Konstante Kw ein. Und schreiben: Kw ist gleich H drei O plus in eckigen Klammern mal OH Minus in eckigen Klammern. Oder mit anderen Worten: Die Konzentration aus Hydroniumionen und Hydroxidionen ist im Wasser konstant. Das Produkt beider Ionen bezeichnet man als Ionenprodukt des Wassers. Das Ionenprodukt des Wassers beträgt zehn hoch Minus 14 Mol Quadrat pro Liter Quadrat bei 22 Grad Celsius. PH-Wert: Man hat es häufig mit Lösungen zu tun, bei denen die Hydroniumionen in geringer Konzentration vorliegen. Wie zum Beispiel 0,01 oder 0,00005 Mol pro Liter. Anmerkung: Die Einheiten habe ich bewusst weggelassen. Bei Endrechnungen müsst Ihr sie natürlich hinzufügen. Mit solchen kleinen Zahlen zu arbeiten ist natürlich unbequem. Aus diesem Grunde wurde der pH-Wert eingeführt. Man schreibt: pH ist gleich Minus lg von der Konzentration der Hydroniumionen. Es handelt sich hier also um den negativen dekadischen Logarithmus der Konzentration der Hydroniumionen. Für den größten Teil der Anwendungen ist eine pH-Wert Skala von null bis 14 ausreichend. Mit Rot ist der saure Bereich gekennzeichnet. Mit Blau der basische Bereich. Man kann sich leicht davon überzeugen, dass der pH-Wert von null einer Konzentration der Hydroniumionen von eins entspricht. PH-Wert sieben bedeutet zehn hoch minus sieben Mol pro Liter Konzentration an Hydroniumionen. Und pH-Wert 14 bedeutet eine geringe Konzentration an Hydroniumionen. Nämlich zehn hoch minus 14 Mol pro Liter. Anmerkung: lg bedeutet dekadischer Logarithmus. Exakt schreibt man dafür log von zehn oder seltener einfach nur log. Aus Gründen der Einfachheit und Ökonomie wird meistens einfach lg verwendet. POH-Wert: Für das Ionenprodukt des Wassers haben wir ermittelt Kw ist gleich Konzentration der Hydroniumionen mal Konzentration der Hydroxidionen. Wir logarithmieren beide Seiten der Gleichung. Für Kw schreiben wir den Wert zehn hoch minus 14. Wir arbeiten einheitslos. Nach Anwendungen von Logarithmengesetzen und Multiplikation mit minus eins erhält man: 14 ist gleich pH plus pOH. Der pOH-Wert ist wie der pH-Wert ein Maß für gelöste Ionen. In diesem Fall für Hydroxidione. Aktivitätskoeffizient: Wir wollen die gemessene Konzentration der Hydroniumionen gegen den theoretischen Wert auftragen. Unter einer Messung verstehen wir dabei z.B. eine elektrochemische Gehaltsbestimmung. Unter theoretischem Wert verstehen wir den Wert, den wir annehmen, wenn eine Säure vollständig dissoziiert und wir einfach nur ihre Konzentration angeben. Bei gleicher Skalierung der Achsen müsste im Idealfall die entsprechende Gerade diese halbieren. Tatsächlich wird dieses Verhalten jedoch nur bei geringen Konzentrationen erreicht. Mit zunehmender Konzentration an Wasserstoffionen weicht der gemessene Wert vom theoretischen in negative Richtung ab. Wir können somit feststellen, dass Konzentrationen nur bei geringen Werten direkt verwendet werden können. Allgemein, und vor allem bei höheren Konzentrationen, verwendet man die sogenannten Aktivitäten. Diese sind ein Produkt aus den Konzentrationen und einem bestimmten Faktor f. Um genau zu sein, muss man somit schreiben pH ist gleich minus lg a H₃ O+. Der negative dekadische Logarithmus der Aktivität der Hydroniumionen. Der Faktor f ist der Aktivitätskoeffizient. Man findet ihn in Tabellen und Nachschlagewerken. Zusammenfassung: Die Autoprotolyse ist das chemische Gleichgewicht zwischen zwei Wasserteilchen und einem Hydroniumion sowie einem Hydroxidion. Das Ionenprodukt des Wassers sagt aus, dass die Konzentration aus Hydroniumionen und Hydroxidionen im Wasser konstant ist. Sie beträgt zehn hoch minus 14 Mol Quadrat pro Liter Quadrat bei 22 Grad Celsius. Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Hydroniumionen. Der pOH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Hydroxidionen. Es gilt: pH plus pOH ist gleich 14. Eine wichtige Rolle bei pH-Wert Berechnungen spielt der Aktivitätskoeffizient. Anstelle der Konzentration der Hydroniumionen verwendet man die entsprechende Aktivität a H₃ O+. Sie ergibt sich als Produkt aus dem Aktivitätskoeffizienten f und der Konzentration der Hydroniumionen H₃ O+ in eckigen Klammern. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute und auf Wiedersehen.