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Säuren – Ks- und pKs-Wert 09:26 min

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Transkript Säuren – Ks- und pKs-Wert

Hallo liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. Herzlich willkommen zu diesem bereits 15. Video aus der Reihe "Säuren". Das Thema des heutigen Videos lautet: "Ks - Wert und pKs - Wert", und ihr findet im Gegensatz zu den vorherigen Videos eine fast jungfräuliche, gut aufgeräumte Tafel. Das hat zwei Gründe: Der eine Grund besteht darin, dass wir uns jetzt vom Wasser etwas entfernen und wieder auf die Säuren konzentrieren. Der zweite Grund besteht darin: Die Thematik wird jetzt etwas komplizierter, sodass man durchaus sagen kann, sie wird in den Leistungskursen der Schulen behandelt, aber auch einige Studentinnen und Studenten könnten hereinschauen und vielleicht ihr Wissen etwas festigen oder aufwerten. So, und ich möchte die Fragestellung einmal erläutern. Die besteht ganz einfach darin: Wenn ich von Säuren spreche, so habe ich natürlich ein Interesse daran diese zu kategorisieren, zu wissen: Wann habe ich es mit einer starken Säure zu tun, mit einer schwächeren oder schwachen? Ja, was ist eine Säure? Das haben wir gelernt, das ist eine Verbindung, die fähig ist, Wasserstoffionen einer Lösung abzugeben. Und das haben wir gemessen, unter anderem mit dem pH - Wert. Aber ich sage euch gleich, der pH - Wert ist für die Bestimmung oder für eine Aussage über die Säurestärke, die man auch mitunter als Acidität bezeichnet, gar nicht mal so gut. Wir wollen uns heute eines neuen Begriffes bedienen, und einer Modizifierung des Begriffes, das werden dann der Ks - Wert und der pKs - Wert sein. Lange Rede, kurzer Sinn, ich werde euch das einmal an einem einfachen Beispiel erklären. Und zwar nehmen wir wieder Chlorwasserstoffsäure, Salzsäure, da ist ja die Formel HCL. Und HCL dissoziiert in wässriger Lösung in ein positiv geladenes Wasserstoffion und in ein negativ geladenes Säurerestion, nämlich das Chloridion. Das alles in Wasser, in wässriger Lösung. Jetzt können natürlich einige berechtigt fragen: Warum schreibt er das jetzt wieder so einfach und so unbedarft, obwohl wir inzwischen das Hydroniumion kennen und wissen, dass es ein nacktes Proton gar nicht gibt? Aus dem einfachen Grund: Wir kämen auf das Gleiche hinaus. Wenn wir immer im Hinterkopf wissen, noch die Idee haben, dass dieses Wasserstoffion immer zumindest an ein Wasserteilchen gebunden ist, ein Hydroniumion bildet, und im Wasser dann sozusagen von vielen Wasserteilchen umschlossen ist, dann können wir auch so arbeiten. Das wollen wir auch so tun. Wir gehen davon aus, - ich lege jetzt Betonung auf diesen Doppelpfeil - dass es sich um ein chemisches Gleichgewicht handelt und das heißt, da ist natürlich Bewegung drin, das reagiert in die Richtung und in die andere, aber der größte Teil liegt vor hier als eine bestimmte Konzentration an Wasserstoffionen, eine bestimmte Konzentration an Chloridionen und eine bestimmte Konzentration an undissoziiertem Chlorwasserstoff. Und wenn wir davon ausgehen, dass dieses Gleichgewicht vorhanden ist, sich bereits eingestellt hat, dann können wir das Massenwirkungsgesetz anwenden, nach Guldberg/ Waage, das lautet nun folgendermaßen: Wir nehmen die Konzentration der Reaktionsprodukte, dann hätten wir also hier H⁺, multiplizieren dies mit der Konzentration des anderen Reaktionsproduktes, Cl⁻, und wir dividieren durch die Konzentration des Ausgangsstoffes, nämlich undissoziierten HCl´s. Und nach dem Massenwirkungsgesetz gilt: Wenn sich dieses Gleichgewicht eingestellt hat, dann ergibt es unter bestimmten Bedingungen - Druck, Temperatur - eine Konstante. Diese Konstante bezeichnen wir als Gleichgewichtskonstante K, und da es sich um eine Säure handelt, die dissoziiert, benutzt man einen kleinen Index s und sagt dazu auch, es wäre die Säurekonstante. Nun möchte man natürlich die Säurekonstante kennen. Was meint ihr, ist sie relativ groß, ist sie relativ klein? Naja, raten... Salzsäure gilt nicht zu Unrecht als eine starke Säure. Und wenn es eine starke Säure ist, was bedeutet das? Eine starke Säure liefert - richtig, Protonen, Wasserstoffionen. Sie gibt also viel ab. Das heißt also wir haben viel Wasserstoffionen natürlich respektive Chloridionen, und wenig oder fast gar keine undissoziierten Chlorwasserstofmoleküle mehr. Wenn das so ist, dann muss der Ks - Wert ziemlich groß sein. Da gibt es einige Dispute, einige Streitereien, ich nehme mal den Wert an, der mir persönlich am besten gefällt aus der Literatur, da gibt es dramatische Abweichungen: Ks = 10⁶. Naja, und da wird keiner mehr behaupten, Chlorwasserstoff sei keine schwache Säure, die ist tatsächlich stark. Nun, die analytischen Chemiker mögen solche Größen nicht. Die hätten gerne kleine Zahlen, zwischen 1 und 10 oder schlimmstenfalls mit einem negativen Vorzeichen, und deswegen definiert man neben dem Ks - Wert den pKs - Wert. Den pKs - Wert muss man mal definiert haben und dann sieht man seine Sinnfälligkeit ein. Ich schreibe mal: pKs ist gleich... so. Wir rekapitulieren, das wäre das gleiche wie beim pH - Wert, der negative dekadische Logarithmus des Ks - Wertes. Und konkret nehmen wir unseren Wert für die Salzsäure, = -lg, und Ks müssen wir einsetzen, 10⁶. Gut, Logarithmengesetz: Wir können den Exponenten ⁶ nach vorne schreiben, 6×(-lg10). Nun brauchen wir noch dieses Logarithmengesetz, wer es im Kopf hat kann sich glücklich schätzen: lg heißt zur Basis 10, und wenn wir mit der Basis 10 beim Logarithmus arbeiten, das Argument 10 haben, dann ergibt das genau 1. Logarithmus von a zur Basis a ist 1. Dann gibt also die gesamte Klammer -1. Wir erhalten also pKs=6×(-1), also -6. Nun haben sie ihren Willen endlich bekommen, jetzt haben wir einen Wert zwischen 0 und 10, zwar mit negativem Vorzeichen, aber das macht nichts. So, das bedeutet Ks - Wert und pKs - Wert. Und heute möchte ich mal ohne kerniges Merksätzchen nicht auskommen wollen, ich halte es euch mal hier hin und werde es vorlesen: Ks - Wert und pKs - Wert sind eine Möglichkeit, die Säurestärke (Acidität) einer protonenliefernden Verbindung auszudrücken. Das heißt: eine Möglichkeit. Eine weitere Möglichkeit wäre, einfach das Proton abzureißen und mal zu messen, wie viel Energie wird frei. Also: Ks - Wert und pKs - Wert stellen eine Möglichkeit dar. Ks=10⁶ und pKs=-6. Wenn ich den Ks - Wert kenne, kann ich den pKs - Wert berechnen, wenn ich den pKs - Wert kenne, kann ich den Ks - Wert berechnen. Warum? Ganz einfach, weil die Logarithmusfunktion eine eindeutige Funktion ist. Vielleicht üben wir das nochmal, muss ich nochmal sehen. Das wäre es dazu, mehr gibt es dazu nicht zu sagen. Es ist eine sehr interessante Sache, es gibt auch ganz große Tabellen darüber, Ks - Werte, pKs - Werte, aber das sprengt etwas den Rahmen dieses Videos. Danke für eure Aufmerksamkeit, ihr habt schön mitgearbeitet. Tschüß!    

27 Kommentare
  1. Der beste Chemie Online Kurs. Vielen Dank für die Videos! :)

    Von Nicolas M., vor fast 4 Jahren
  2. Der Typ ist so cool :D

    Von Fatih Cengiz, vor mehr als 4 Jahren
  3. Könnten Sie mir eventuell den Link schicken denn ich weiß leider nicht welches davon.

    Von Saramaggi, vor mehr als 5 Jahren
  4. Liebe Saramaggi,
    die geeigneten Formeln findest du bei den Videos für Mediziner.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor mehr als 5 Jahren
  5. Sehr geehrter Herr André Otto,

    Gibt es auch ein Übungsvideo zur berechnung von Ks und Kb werten? denn leider bin ich bei einer aufgabe stecken geblieben.

    Ich formluriere sie mal und hoffe dass Sie mir weiterhelfen können,

    Die Messung des Ph-Wertes einer Essigsäure mit der Ausgangskonzentration von 0.1 m/l zeigt PH=2,9
    Berechnen Sie den Ks Wert dieser Säure.

    Ich weiß dass es eine schwache säure ist, und ich kann die Reaktionsgleichung auch aufstellen, nur weiß ich leider nicht wie ich das lösen soll. Ich kann die Abtwort die im Buch steht nicht nachvollziehen.

    Können Sie die Aufgabe schrittweise lösen? Das wäre sehr lieb.

    Von Saramaggi, vor mehr als 5 Jahren
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Säuren – Ks- und pKs-Wert Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Säuren – Ks- und pKs-Wert kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib wieder, wie man den $K_S$-Wert berechnet.

    Tipps

    Bei einer Kondensationsreaktion entsteht als ein Reaktionsprodukt Wasser.

    Lösung

    Die Säurekonstante gibt wieder, welcher Anteil der Säuremoleküle in dissoziierter Form vorliegt. Genau dieses Verhältnis wird durch die Gleichgewichtskonstante der Reaktion bestimmt. Daher verwendet man die Gleichgewichtskonstante einer Dissoziationsreaktion auch als Säurekonstante und bezeichnet sie mit $K_S$.

  • Fasse zusammen, was der $K_S$-Wert und der $pK_S$-Wert aussagen.

    Tipps

    Die wässrige Lösung einer starken Säure enthält eine hohe Konzentration an $H_3O^+$-Ionen!

    Lösung

    Eine Säure ist dann besonders stark, wenn man nur wenig davon in Wasser geben muss, um einen sehr niedrigen pH-Wert zu verursachen. Das heißt, eine bestimmt Säurekonzentration verursacht eine möglichst hohe Konzentration an $H_3O^+$-Ionen.
    Das ist dann der Fall, wenn ein sehr großer Anteil der Säuremoleküle in dissoziierter Form vorliegt, also ein Wasserstoff-Ion abgegeben hat. Die Säurekonstante ist die Gleichgewichtskonstante der Dissoziierungsreaktion und ist damit umso größer, je höher der Anteil der dissoziierten Säuremoleküle ist.
    Daher ist $K_S$ bei einer starken Säure sehr groß. Daraus ergibt sich ein negativer Wert für $pK_S$.

  • Leite aus der Reaktionsgleichung einen Term zur Berechnung des $K_S$-Wertes ab.

    Tipps

    Beim Massenwirkungsgestz stehen die Konzentrationen der Edukte im Nenner.

    Lösung

    Um das Massenwirkungsgesetz aufzustellen, werden die Konzentrationen der Produkte multipliziert und durch das Produkt der Konzentrationen der Edukte dividiert.
    Die Edukte der Dissoziationsreaktion von Fluorwasserstoff sind Fluorid-Ionen ($F^-$) und Wasserstoff-Ionen ($H^+$). Das einzige Edukt dieser Reaktion ist Fluorwasserstoff ($HF$).
    Das Produkt der Konzentrationen von Fluorid- und Wasserstoff-Ionen muss also durch die Konzentration an Fluorwasserstoff dividiert werden, um die Säurekonstante zu berechnen.

  • Bestimme den $K_S$-Wert und den $pK_S$-Wert von Fluorwasserstoff.

    Tipps

    Im Zähler stehen die Konzentrationen der Produkte der Dissoziationsreaktion!

    Statt durch 0,1 zu dividieren, kann man auch mit 10 multiplizieren.

    Lösung

    Indem man Messwerte für die Konzentrationen von dissoziierten und nicht dissoziierten Säuremolekülen in das Massenwirkungsgesetz einträgt, erhält man den $K_S$-Wert einer Säure. Dabei muss man jedoch beachten, dass die Temperatur das Gleichgewicht beeinflusst. Daher ändert sich auch $K_S$, wenn man die Temperatur verändert.
    In diesem Beispiel ergibt die Rechnung ${{0,01 \cdot 0,01} \over {0,1}} = {{0,0001} \over {0,1}} = 0,001$ den $K_S$-Wert. Diese Zahl lässt sich leicht in eine Zehnerpotenz umrechnen: $0,001 = 10^{-3}$.
    Der negative dekadische Logarithmus von $10^{-3}$ ergibt einen $pK_S$-Wert von 3.

  • Beschreibe, wie man aus dem $K_S$-Wert den $pK_S$-Wert berechnet.

    Tipps

    Die Berechnung des $pK_S$-Werts aus der Säurekonstante gleicht der Berechnung des pH-Wertes aus der Konzentration der Hydroxonium-Ionen.

    Je größer $K_S$, desto kleiner ist $pK_S$.

    Lösung

    Eine Säure ist umso stärker, je höher der Anteil der dissoziierten Säuremoleküle ist: Wenn mehr Säuremoleküle dissoziieren, dann ist die Konzentration an $H_3O^+$-Ionen größer.
    Der $K_S$-Wert gibt diese Verhältnis an. Je höher dieser Wert ist, desto stärker ist also die Säure.
    Der $K_S$-Wert kann aber in einem sehr großen Zahlenbereich liegen: zwischen $10^{-10}$ bei sehr starken Säuren und $10^{20}$ bei sehr schwachen Säuren. Da diese Zahlen unhandlich sind, wird eigentlich immer nur der $pK_S$-Wert verwendet. Dieser wird ähnlich berechnet wie der pH-Wert einer Lösung: Man berechnet den negativen dekadischen Logarithmus des $K_S$-Wertes. Dieser liegt dann in der Regel zwischen -10 und 20 und ist damit gut zu handhaben.

  • Entscheide, welche Säure die stärkere Säure ist.

    Tipps

    Je größer $K_S$, desto kleiner $pK_S$!

    Lösung

    Eine Säure ist umso stärker, je höher der Anteil der dissoziierten Säuremoleküle ist: Wenn mehr Säuremoleküle dissoziieren, dann ist die Konzentration an $H_3O^+$-Ionen größer.
    Der $K_S$-Wert gibt diese Verhältnis an. Je höher dieser Wert ist, desto stärker ist also die Säure.
    Der $K_S$-Wert kann aber in einem sehr großen Zahlenbereich liegen: zwischen $10^{-10}$ bei sehr starken Säuren und $10^{20}$ bei sehr schwachen Säuren. Da diese Zahlen unhandlich sind, wird eigentlich immer nur der $pK_S$-Wert verwendet. Je kleiner dieser ist, desto stärker die Säure.
    Ein $K_S$-Wert von 0,008 entspricht einem $pK_S$-Wert von etwa 2,1. Eine zehnfach höhere Konzentration von dissoziierten Säuremolekülen entspricht einem $K_S$-Wert von 10, also einem $pK_S$-Wert von -1. Salpetersäure ist also die stärkere Säure. Essigsäure ist mit einem $pK_S$-Wert von 4,75 schwächer als diese beiden Säuren, Perchlorsäure mit einem $pK_S$-Wert von -10 ist deutlich stärker als die beiden Säuren.