pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "pH-Abhängigkeit von Redoxpotenzialen". Der Film gehört zur Reihe "Oxidation und Reduktion". Als Vorkenntnisse solltest du gutes Wissen über Redoxreaktionen besitzen und die Videos bis einschließlich Nernst-Gleichung angeschaut haben. Mein Ziel ist es, Dir in diesem Video das grundlegende Verständnis der Möglichkeiten der pH-Messung unter Benutzung von Elektroden zu vermitteln. Das Video ist viergeteilt. 1. Wasserstoffelektrode 2. Sauerstoffelektrode 3. pH-Messung 4. Zusammenfassung

1. Wasserstoffelektrode Eine Wasserstoffelektrode besteht aus einer wässrigen Lösung, die eine Säure enthält. Bei der Standardelektrode hat die Säure eine Konzentration von 1 Mol pro Liter. Über ein Rohr wird gasförmiger Wasserstoff in die Lösung eingeleitet. Dieser umspült metallisches Platin. Der Druck beträgt 1013 hPa. Die Temperatur wird bei 298 Kelvin konstant gehalten. Diese Bedingungen bezeichnet man als Standardbedingungen. Die Redoxreaktion ist das chemische Gleichgewicht zwischen 2 Hydroniumionen und 2 Elektronen sowie 1 Wasserstoffmolekül und 2 Wassermolekülen. Das Platin bewirkt eine schnelle Einstellung des Gleichgewichts. Bei Standardbedingungen spricht man vom Normalpotenzial. Dieses wurde mit E0=0V willkürlich aber sinnvoll festgelegt. Die Wasserstoffelektrode fungiert als Bezugselektrode. Betrachten wir nun eine Veränderung der Konzentration der Hydroniumionen. Zur Erinnerung notiere ich noch einmal das Redoxgleichgewicht. Die oxidierte Form bezeichne ich mit Ox, die reduzierte Form mit Red. Rot und Blau. Auf jedes Redoxgleichgewicht kann man die Nernst-Gleichung anwenden. Das wirksame Potenzial E ist gleich dem Normalpotenzial E0+0,06 Volt dividiert durch 2. Das sind die 2 übertragenen Elektronen, multipliziert mit dem Logarithmus der Konzentrationen der oxidierten Form dividiert durch die reduzierte Form. Wir berücksichtigen nun, dass E0 gleich 0 ist und tragen die entsprechenden Konzentrationen gemäß des Massenwirkungsgesetzes ein. Die Konzentration des Wasserstoffs ist nach Definition 1 und die Konzentration des Wassers ebenfalls, denn Wasser ist im Überschuss vorhanden und geht in E mit ein. Damit erfährt der rechte Term der Gleichung eine starke Vereinfachung. Wir erinnern uns, dass der pH-Wert den negativ dekadischen Logarithmus der Hydroniumionen-Konzentration ist. Für das Potenzial der Wasserstoffelektrode in Abhängigkeit vom pH-Wert ergibt sich nun eine einfache Formel. Es ist nämlich genau -0,06 pH-Volt. Beim pH-Wert 7, bei dem fast alle Lebensprozesse ablaufen, beträgt das Potenzial -0,42 Volt. Wäre es nun nicht möglich, mit der Wasserstoffelektrode den pH-Wert zu messen?

2. Sauerstoffelektrode, auch Sauerstoffhalbzelle genannt. Bei der Sauerstoffelektrode besteht ein Redoxgleichgewicht zwischen einem Sauerstoffmolekül, 4 Hydroniumionen, 4 Elektronen auf der einen Seite sowie 6 Wassermolekülen auf der anderen Seite. Wir notieren nun die oxidierten sowie die reduzierten Formen. Wir formulieren nun die Nernst-Gleichung. Die Zahl übertragener Elektrode Z beträgt in unserem Fall 4 und Erkenntnis des Normalpotenzials E0 gleich 1,23 Volt kann man nun die Nernst-Gleichung konkretisieren. Für die Konzentration des Sauerstoffs O2 bzw. des Wassers H2O wird jeweils 1 gesetzt, in Übereinstimmung mit den Argumenten, die wir bereits vorher genannt haben. Damit vereinfacht sich der rechte Term der Gleichung weiter. Die 4 aus [H3O+]^4 ziehen wir nach dem Logarithmengesetz nach vorn. Wir kürzen nun die 4en gegeneinander und sind praktisch fertig. Lediglich der Definition des pH-Wertes erinnern wir uns. Wir erhalten E=1,23 Volt-0,06pH. Der zweite Term auch in Volt. Beim lebensfreundlichen pH=7 ergibt sich ein Potenzial E=+0,81 Volt. Wäre eine solche Elektrode nicht vielleicht auch für die pH-Messung geeignet? Prinzipiell ist die pH-Messung bei einer Elektrode wie der Wasserstoffelektrode natürlich möglich. Das erkennt man sofort aus dem Zusammenhang zwischen den Potenzialen und dem pH-Wert. Also, warum eigentlich keine pH-Messung mit der Wasserstoffelektrode? Das Problem ist weniger ein wissenschaftliches als ein technisches. Es gibt nämlich Probleme mit der Druckmessung und der Konstanthaltung des Druckes. Folglich sind Elektroden wie die Wasserstoffelektrode oder die Sauerstoffelektrode für die pH-Messung nicht gut geeignet. Man muss folglich andere Wege beschreiten. Und das werden wir jetzt auch tun.

3. pH-Messung Auf der Suche nach einer geeigneten Elektrode für die pH-Messung hat man schließlich die sogenannte Chinhydronelektrode gefunden. Die Redoxreaktion für diese Elektrode möchte ich teilweise als Wortgleichung formulieren. Chinon + 2 Hydroniumionen + 2 Elektronen stehen im Redoxgleichgewicht mit Hydrochinon und 2 Molekülen Wasser. Wenn Chinon und Hydrochinon äquimolar vorliegen, so nennt man dieses Gemisch Chinhydron. Für Details über die Struktur des Chinons und Hydrochinons verweise ich auf den entsprechenden Abschnitt im Kapitel "organische Chemie". Wir wissen nun Bescheid, dass sich links die oxidierte und rechts die reduzierte Form befindet. Nun formulieren wir die Nernst-Gleichung für Standardbedingungen und 2 übertragene Elektronen. Nun berücksichtigen wir das Normalpotenzial von +0,07 Volt und die obige Redoxgleichung. Äquimolare Mengen an Chinon und Hydrochinon gelangen durch Platin schnell in das Redoxgleichgewicht. Bei der weiteren Vereinfachung kürzen sich die beiden Konzentrationen heraus. Wir erhalten E=0,07 Volt - 0,06pH mal Volt. Mit einer Elektrode kann man noch keine elektromotorische Kraft messen. Man braucht noch eine zweite Elektrode als Bezugselektrode. Nehmen wir zum Beispiel die Elektrode, die bei Standardbedingungen ein Normalpotenzial E2+0,35 Volt aufweist. Ihr erinnert euch, ja es ist die Cu2+/Cu Halbzelle. Sie wirkt hier als Bezugselektrode. Aus beiden Elektroden ist es durch Bestimmung der elektromotorischen Kraft möglich, eine pH-Messung zu vollziehen.

4. Zusammenfassung Es gibt Elektroden, deren Potenzial pH-Wert-abhängig ist. So verhält es sich zum Beispiel mit der Wasserstoffelektrode. Potenzial und pH-Wert sind über eine einfache Beziehung miteinander verknüpft. Technische Probleme, wie die Druckkontrolle, führen dazu, dass die Verwendung der Wasserstoffelektrode für die pH-Messung nicht praktikabel ist. Eine brauchbare Alternative bietet die Verwendung der Chinhydroelektrode. Potenzial und pH-Wert der Chinhydroelektrode sind über eine einfache lineare Abhängigkeit miteinander verknüpft. Verwendet man eine geeignete Bezugselektrode, wie zum Beispiel das Cu2+/Cu-Halbelement, so kann man durch Messung der elektromotorischen Kraft den pH-Wert bestimmen. Das wars schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Alles Gute. Auf Wiedersehen.