Säuren, Basen und pH-Wert

In dieser Woche werden Sie sich mit dem Thema Säure/Base befassen und die Faktoren kennenlernen, die die pH-Messung beeinflussen können. Sie werden den Umgang mit starken Säuren und Basen erlernen, insbesondere deren Handhabung und Entsorgung. Schliesslich werden Sie lernen, mit dem pH-Meter umzugehen, und die richtige Strategie zur Herstellung einer Pufferlösung sowie deren Funktionsweise verstehen.

Lernziele

  1. Sie verstehen die Begriffe pH, pOH, pKa und pKb.
  2. Sie kennen die Funktionsweise eines Puffers.
  3. Sie können die Funktionsweise eines pH-Meters erklären.
  4. Sie können ein pH-Meter korrekt bedienen und kalibrieren.
  5. Sie verstehen, dass die pH-Messung auf einer Elektrodenspannung beruht, und kennen den Einfluss der Temperatur auf die Messung.
  6. Sie können die pH-Werte von starken Säuren und Basen berechnen.
  7. Sie kennen den typischen Ablauf für die Herstellung einer Pufferlösung.
  8. Sie kennen die Sicherheitsmassnahmen für den Umgang mit starken Säuren und Basen und können diese fachgerecht entsorgen.

Säuren und Basen

Beim Abgeben eines Protons entsteht aus der Säure ihre korrespondierende (konjugierte) Base:

HA+H2O⇌A−+H3O+\mathrm{HA + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+}
  • HA = Säure
  • A⁻ = korrespondierende Base

Starke Säuren

Starke Säuren dissoziieren nahezu vollständig. Beispiel: Salzsäure (HCl) — es liegt nahezu kein undissoziiertes HCl mehr vor.

HCl+H2O⟶H3O++Cl−\mathrm{HCl + H_2O \longrightarrow H_3O^+ + Cl^-}
  • HCl = Säure
  • Cl⁻ = korrespondierende Base

Die korrespondierende Base (Cl⁻) ist sehr schwach.

Schwache Säuren

Eine schwache Säure dissoziiert nur teilweise in Wasser (nur ein Teil der Moleküle gibt H⁺ ab). Es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.

Beispiel: Essigsäure (CH₃COOH)

CH3COOH+H2O⇌CH3COO−+H3O+\mathrm{CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+}
  • CH₃COOH = Säure
  • CH₃COO⁻ = korrespondierende Base

Die korrespondierende Base (CH₃COO⁻) ist deutlich stärker als die korrespondierende Base einer starken Säure.

pH-Wert

In Wasser befinden sich Oxoniumionen (H₃O⁺) und Hydroxidionen (OH⁻) in einem chemischen Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht entsteht durch die sogenannte Autoprotolyse des Wassers.

In reinem Wasser bei 25 °C liegen diese beiden Ionenarten in gleicher Konzentration vor:

[H3O+]=[OH−]=1,0×10−7 mol/L[\mathrm{H_3O^+}] = [\mathrm{OH^-}] = 1{,}0 \times 10^{-7} \, \mathrm{mol/L}

Je mehr Oxoniumionen (H₃O⁺) eine Lösung enthält, desto kleiner ist ihr pH-Wert.

Das Ionenprodukt des Wassers, bezeichnet als KwK_\mathrm{w}, ergibt sich aus dem Produkt der Konzentrationen von Oxonium- und Hydroxidionen:

Kw=[H3O+]⋅[OH−]=1,0×10−14 mol2/L2K_\mathrm{w} = [\mathrm{H_3O^+}] \cdot [\mathrm{OH^-}] = 1{,}0 \times 10^{-14} \, \mathrm{mol^2/L^2}

Wendet man den negativen dekadischen Logarithmus auf das Ionenprodukt an, erhält man den sogenannten pKw-Wert: pKw=14\mathrm{p}K_\mathrm{w} = 14.

Daraus folgt der Zusammenhang zwischen pH- und pOH-Wert:

pH+pOH=pKw=14\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = \mathrm{p}K_\mathrm{w} = 14

Einteilung der pH-Bereiche

Aufgeschnittene Zitrone neben einem Glas Zitronensaft
Zitronensaft ist eine saure Flüssigkeit mit einem pH-Wert von etwa 2.

Der pH-Bereich wird in drei Hauptkategorien eingeteilt: sauer (z. B. Zitronensaft), neutral (z. B. Wasser) und basisch oder alkalisch (z. B. Ammoniak NH₃). Der pH-Wert wird auf einer Skala von 0 bis 14 gemessen, wobei 7 als neutral gilt. Ein pH-Wert unter 7 ist sauer, während ein Wert über 7 basisch ist.

  • pH < 7 entspricht einer Lösung mit saurer Wirkung.
  • pH = 7 entspricht absolut reinem Wasser oder einer neutralen Lösung.
  • pH > 7 entspricht einer alkalischen Lösung (basische Wirkung).
pH-Skala von 0 bis 14 mit Farbverlauf von Rot (stark sauer) über Grün (neutral) bis Violett (stark basisch); der Gehalt an Hydronium-Ionen nimmt mit steigendem pH ab, der Gehalt an Hydroxid-Ionen nimmt mit sinkendem pH ab
Die pH-Skala: von stark sauer über neutral bis stark basisch

pH-Wert-Rechner

sauer basisch
pH-Wert: 7.0 (ungefähr neutral)

c(H₃O⁺): 0,0000001 mol/L

c(OH⁻): 0,0000001 mol/L

pOH-Wert: 7.0

Indikatoren

Universalindikator
Phenolphthalein
Methylorange
Bromthymolblau

Was beschreibt der pH-Wert einer Lösung?

Ein pH-Wert von 7 bedeutet:

pKa und pKb

Ordnen Sie die folgenden Alltagsstoffe nach ihrem pH-Wert – von sauer (oben) nach basisch (unten).

Ziehe die Schritte in die richtige Reihenfolge und klicke dann auf Prüfen.

  • Leitungswasser
  • Autobatteriesäure
  • Abflussreiniger
  • Seifenlösung
  • Zitronensaft

Footnotes

  1. Intuitiv beschrieben: Betrachtet man die Konzentration in mol/L, entspricht der pH-Wert ungefähr der Zahl der Nullen bis zur ersten Nicht-Null. Ist die Konzentration 0,01 mol/L, so ist der pH-Wert 2 (also 2 Nachkommastellen). Bei 0,0002 mol/L ist der pH-Wert ungefähr 4 (exakt sind es 3,7). ↩

  2. Schwefelsäure kann bis zu zwei Protonen abgeben. Dieser Wert gilt für das erste Proton der Schwefelsäure (H₂SO₄). Das zweite Proton hat einen pKa von etwa 1,99. ↩

  3. Starke Basen wie Natriumhydroxid (NaOH) dissoziieren in Wasser praktisch vollständig; für sie ist eine pKb-Angabe deshalb nicht sinnvoll — die Tabelle führt nur schwache Basen auf. ↩