Berechnung von Konzentrationen mithilfe des pH-Wertes

Hallo und ganz herzlich willkommen. Dieses Video heißt Bestimmung der Konzentration von Protonen und Hydroxid-Ionen durch den pH-Wert. Du kennst Säuren, Basen und Salze und ihre Dissoziation in wässriger Lösung. Du bist vertraut mit dem Begriff der molaren Konzentration. Nachher kannst Du die Konzentration der Protonen oder Hydroxid-Ionen in einer wässrigen Lösung aus dem pH-Wert berechnen. Säuren, Basen und Salze sind drei wichtige Verbindungsklassen in der Chemie. Diese Verbindungen dissoziieren in wässriger Lösung. Salzsäure zum Beispiel liefert Protonen, Wasserstoff-Ionen. Natriumhydroxid gibt durch Dissoziation Hydroxid-Ionen, OH-. Und es gibt auch Salze, die in wässriger Lösung nicht neutral reagieren, wie zum Beispiel Hydrogencarbonat, welches Hydroxid-Ionen liefert. Alle diese Lösungen sind durch einen bestimmten pH-Wert gekennzeichnet. Das ist nichts weiter, als ein Maß für die Konzentration an Wasserstoff-Ionen. In diesem Video wollen wir den pH-Wert in die Konzentration umrechnen. Ich zeige euch an Beispielen wie das geht. Wir werden die Konzentrationen an Wasserstoff-Ionen H+ und an Hydroxid-Ionen OH- berechnen. Wir schreiben für die entsprechenden Konzentrationen CH+ und COH-. Der pH-Wert ist definiert, als pH = -lgCH+. Der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoff-Ionen-Konzentration. Eingeführt hat ihn Sörensen im Jahr 1909. Es gibt aber einen Haken. Wie kommen wir von der Konzentration der Hydroxid-Ionen auf die Konzentration der Protonen? Dabei hilft uns das Ionenprodukt des Wassers. Die Konzentration von Protonen und Hydroxid-Ionen in jeder wässrigen Lösung beträgt 10-14. Achtung, der Einfachheit halber habe ich hier auf die Angabe der Einheit verzichtet. Dementsprechend ergibt sich CH+ als Quotient aus 10-14 und COH-. Korrekt sind diese Beziehungen für eine Temperatur Theta von 22 Grad Celsius. Werfen wir uns ins Rennen und beginnen mit Salzsäure. Das ist eine starke Säure. Salzsäure bildet unsere Magensalzsäure. Es herrscht dort ein typischer pH-Wert von eins. Wir wollen die Konzentration der Wasserstoff-Ionen berechnen. Der Zusammenhang lautet pH = lgCH+. Wir multiplizieren mit minus eins. Den Logarithmus zur Basis zehn schreiben wir in eine Potenz um. CH+ = 10-pH. Und das ist genau das, was wir brauchen. Wir setzen die eins anstelle des pH-Wertes und erhalten CH+ = 10-1 mol/l. Anders formuliert, die Protonenkonzentration beträgt 0,1 mol/l. Ein erstes Erfolgserlebnis. Nun wollen wir Essigsäure nehmen. Essigsäure ist eine schwache Säure. Bei Dissoziation zerfällt ein Molekül der Essigsäure in ein Acetat-Ion und in ein Proton, Wasserstoff-Ion. Ein typischer pH-Wert ist vier. Wie groß ist die Konzentration CH+? Wir benutzen die im vorherigen Beispiel erhaltene Formel. CH+ = 10-4 mol/l. Oder anders, die Konzentration der Wasserstoff-Ionen beträgt 0,0001 mol/l. Sehr schön, noch ein Ergebnis. Das ist ein sehr niedriger Wert. Betrachten wir einmal Cola. Cola enthält Phosphorsäure. Ein Molekül Phosphorsäure liefert drei Wasserstoff-Ionen und ein Phosphat-Ion. Die Phosphorsäure ist eine mittelstarke Säure. Ein typische pH-Wert in der Cola ist 3,8. Wir sind an der Konzentration der Protonen interessiert. Ich verwende wieder die euch inzwischen gut bekannte Formel. Für den pH-Wert setzen wir 3,8 ein. Da der Exponent nicht ganzzahlig ist, benötigen wir hier einen Taschenrechner. CH+ = 0,000158 mol/l. Schön. Kommen wir nun zu basischen Stoffen und beginnen mit einem typischen. Natriumhydroxid. Es handelt sich hier um eine starke Base. Die Dissoziation läuft quasi vollständig ab und es bilden sich Hydroxid-Ionen OH-. Wir haben den pH-Wert 13. Wie groß ist die Konzentration der Hydroxid-Ionen? Zunächst berechnen wir wieder die Konzentration der Wasserstoff-Ionen. Ganz einfach, das macht 10-13 mol/l. Und nun müssen wir 10-14 durch 10-13 teilen. So erhalten wir die Konzentration der Hydroxid-Ionen. Ergibt 10-1 mol/l. Wir notieren links unten die beiden Ergebnisse. Wunderbar, fertig. Natriumacetat: In wässriger Lösung zeigt dieses organische Salz schwache basische Eigenschaften. Das kann man so formulieren: Ein Acetat-Ion reagiert mit einem Wassermolekül. Dabei entstehen ein Essigsäuremolekül und ein Hydroxid-Ion, das die Lösung basisch macht. Ein typischer pH-Wert ist neun. Wir berechnen die Konzentration der Hydroxid-Ionen. Den ersten Schritt kennt ihr wieder. Wir setzen einfach den pH-Wert in den Exponenten zur Basis zehn ein. Um COH- zu berechnen dividieren wir einfach 10-14 durch 10-9. Wir erhalten COH- = 10-5 mol/l. Wir notieren beide Konzentrationen und tragen sie in die linke untere Ecke ein. Und auch das haben wir geschafft. Kommen wir nun, so hoffe ich, zu einem interessanten Gebiet: Die Indikatoren. Ich habe hier die Farbskalen von einigen für euch mitgebracht. Betrachten wir einmal Thymolblau. So ziemlich in der Mitte gibt es einen interessanten grünen Bereich. Dort ist ein pH-Wert von etwa 8,5. Wir wollen die Protonenkonzentration berechnen. Die Formel kennt ihr bereits. CH+ ist gleich minus und jetzt setze ich den pH-Wert ein, 8,5 mol/l. Hier brauche ich nur wieder einen Taschenrechner und erhalte CH+ = 3,16 x 10-9 mol/l. Auch das haben wir geschafft. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.