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Autoprotolyse des Wassers – pH-Wert 10:00 min

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Transkript 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.

5 Kommentare
  1. C.sarimese

    Alles was in meinem Chemiebuch steht, machst du in deinen Videos ganz einfach und sehr leicht verständlich !!!
    Vielen Dank Andre !!!

    Von Measy 67, vor mehr als 3 Jahren
  2. 001

    Es stimmt so alles bis auf eines: Es gibt keinen Widerspruch. = 14 gilt für 22 "C. Bei steigender Temperatur fällt der Wert. Ich kann mich nur erinnern, dass es nur bis etwa 13 oder leicht darunter geht.
    Sehr schöne Bemerkung!
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  3. Default

    Was passiert bei steigender Temperatur. Die Konzentration and H30+ Ionen steigt. Betrachtet man den pH- Wert so müsste er doch sinken. Betrachtet man den pOH- Wert, so müsste er steigen. Bleibt der Kw Wert dann bei 10^-14? Kann der Kw Wert auch größer als kleiner als 10^14 sein. Wenn ja, widerspricht das dann nicht der Formel pH + pOH = 14?

    Von Florian Handkefh, vor etwa 4 Jahren
  4. Chrysanthemum

    Sehr gutes Video !!

    Von Melinaozan, vor mehr als 5 Jahren
  5. Foto%20am%2015.09.11%20um%2022.38

    Einfach Perfect! 1000x Danke.

    Von Mirella C., vor mehr als 5 Jahren

Autoprotolyse des Wassers – pH-Wert Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Autoprotolyse des Wassers – pH-Wert kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die Eigenschaften des Wassers, die für die Autoprotolyse notwendig sind.

    Tipps

    Wasser ist ein Ampholyt.

    Lösung

    Wasser kann sowohl ein Proton abgeben als auch aufnehmen. Es ist daher ein Ampholyt. Diese Eigenschaft ist Voraussetzung für die Autoprotolyse des Wassers. Es zeigt also nach Brönsted ein sowohl saures als auch basisches Verhalten.

  • Vervollständige die Autoprotolyse-Gleichung des Wassers.

    Tipps

    Bei der Autoprotolyse dissoziiert Wasser.

    Bei der Autoprotolyse reagiert quasi Wasser mit Wasser.

    Lösung

    Wasser ist nach Brönsted sowohl eine Säure als auch eine Base. Es ist ein Ampholyt und kann als beides reagieren. Es kommt also auf den Reaktionspartner an.

    Ein Wassermolekül kann also sowohl ein Proton abgeben als auch eines aufnehmen. Führt man beide Gleichungen

    $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$

    $H_2O + H^+ \rightleftharpoons H_3O$

    zusammen, erhält man folgende Gleichung:

    $H^+ + H_2O + H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^- + H_3O^+$.

    Du siehst, dass das $H^+$-Ion auf beiden Seiten vertreten ist. Daher kann man es wie in der Mathematik kürzen und lässt es weg. Dadurch ist es natürlich nicht aus der Reaktion verschwunden! Es wird nur nicht mehr geschrieben.

    Daraus entsteht die Autoprotolyse-Gleichung des Wassers.

  • Definiere den pH-Wert.

    Tipps

    $pH = -\log\left[H_3O^+\right]$

    Lösung

    Die Konzentration der Hydronium-Ionen ($H^+$) ist oft in kleinen Zahlen geschrieben: 0,00005 mol/l. Da es unbequem ist, mit solchen kleinen Zahlen zu arbeiten, führte man den pH-Wert ein. Er ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen.

    Die pH-Skala geht von 0 bis 14, wobei 0-6 im sauren Bereich liegt und 8-14 im basischen Bereich. 7 ist die magische Zahl. Denn hier liegen genauso viele Hydronium-Ionen wie Hydroxid-Ionen vor. Es ist also weder sauer noch basisch. Es ist neutral.

  • Berechne den pH-Wert der gegebenen Natronlauge.

    Tipps

    Berechne zuerst die Konzentration: In 100 ml sind 0,0001 mol $NaOH$ enthalten, wieviel $NaOH$ ist in 1000 ml enthalten?

    Die Konzentration von $NaOH$ ist 0,001 mol/l.

    $NaOH$ dissoziiert in ein $Na^+$- und ein $OH^-$-Ion. Genau wie in der Aufgabe zuvor, ist das Verhältnis also 1:1.

    Beachte: Es werden $OH^-$-Ionen betrachtet.

    $pOH = -\log\left[OH^-\right]$

    Lösung

    Zuerst berechnest du die Konzentration mit der Einheit $mol/l$. Dafür rechnest du:

    $x = \frac{0,0001 mol}{100 ml} \cdot 1000 ml = 0,001 mol/l$.

    Da $NaOH$ in $Na^+$- und $OH^-$-Ionen dissoziiert und damit im Verhältnis 1:1, kann man die Hydroxid-Ionen-Konzentration in die Gleichung

    $pOH = -\log\left[OH^-\right]$

    einsetzen:

    $pOH = -\log\left[0,001\right]$

    und erhält

    $pOH = 3$.

    Achtung! Es wurde nach dem pH-Wert gefragt. Daher musst du dir noch ausrechnen, wie groß der pH-Wert ist. Erinnere dich dafür an das Ionenprodukt des Wassers. Dabei kam folgende Beziehung heraus:

    14 = pH + pOH.

    Du setzt also ein:

    $14 = pH + 3~~~/-3$

    $14 - 3 = pH = 11$.

    Der pH-Wert ist also 11.

  • Ermittle den pH-Wert zu folgenden Konzentrationen.

    Tipps

    Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen.

    $pH = -\log\left[H_3O^+\right]$

    Benutze einen Taschenrechner. Erinnere dich daran, dass der dekadische Logarithmus verschieden abgekürzt wird: lg, log oder $log_{10}$.

    Lösung

    Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Hydronium-Ionen. Entsprechend kann man in die Gleichung

    $pH = -\log\left[H_3O^+\right]$

    die Konzentration einsetzen und erhält den entsprechenden pH-Wert.

    Ist die Konzentration kleiner als 0,000001 mol/l ($10^{-6}$), kann man diese Gleichung nicht mehr so einfach verwenden. Dann muss man die Autoprotolyse des Wassers miteinbeziehen. Denn es entstammen dabei schon mehr Hydronium-Ionen aus der Autoprotolyse des Wassers als aus der Säure. Der pH-Wert ist in Näherung zu pH = 7.

    Dabei berechnest du zum Beispiel für eine Konzentration von $10^{-8} mol/l$:

    $pH = -log (10^{-8} + 10^{-7}) = 6,96$

  • Berechne den pH-Wert der gegebenen Salzsäure.

    Tipps

    Überlege zuerst, wie Salzsäure dissoziiert, sich also aufteilt.

    Pro Molekül Salzsäure wird ein Proton abgegeben:

    $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$

    $pH = -\log\left[H_3O^+\right]$

    Lösung

    Überlege zuerst, wie Salzsäure dissoziiert.

    $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$

    Sie zerfällt in Wasser im Verhältnis 1:1. Also werden bei dieser einprotonigen Säure der Konzentration $c_{(HCl)} = 0,21 mol/l$ auch gleich viele $H^+$-Ionen gebildet. Das Volumen spielt dabei keine Rolle. Du kannst die Hydronium-Ionen-Konzentration ( = Salzsäure-Konzentration) in die Gleichung

    $pH = -\log\left[H_3O^+\right]$

    einsetzen und erhältst:

    $pH = -\log 0,21 = 0,68$