Berechnen und Messen des pH-Werts

Das Messen von pH-Werten

SIB-Indikatoren

Abbildung 1: Hier sind einige Indikatoren und ihr Farbumschlag zu sehen

Prinzip: H Ind ⇌ Ind^- + H⁺

Die Wirkung des Indikators als Säure oder als Base soll vernachlässigbar sein.

In einer stark sauren Lösung (viele H+-Ionen) dominiert Farbe 1 auf Grund einer hohen H3O+ -Konzentration. Aus dem Massenwirkungsgesetzt wird ersichtlich, dass ein grosser Protonendruck herrscht (alles wird protoniert), wodurch eine Verschiebung des Gleichgewichts nach links stattfindet. Bei einer stark basischen Lösung herrscht hingegen ein Protonensog.

Mit diesem Prinzip der Farbänderung funktionieren Universalindikator-Stäbchen. Auf diesen Stäbchen sind verschiedene Indikatoren, welche alle einen anderen Farbumschlag sichtbar machen, angeordnet. Zur genauen Bestimmung des pH-Wertes wird also nicht nur eine Farbänderung erreicht. Die unterschiedlichen Farbanordnungen lassen eine Spezifischere Bestimmung zu, als beispielsweise pH-Papier.

pH-Meter

Ein pH-Meter ist ein Gerät, welches die elektrische Leitfähigkeit misst.

Die elektrische Leitfähigkeit einer Säure oder Base hängt von der Konzentration der geladenen Teilchen ab: Je mehr geladene Teilchen, welche in diesem Fall H3O+ -Teilchen sind, umso höher ist die Leitfähigkeit und umso tiefer ist der pH-Welt.

So sieht auf jeden Fall die Theorie aus. In Wirklichkeit gibt es aber noch mehr Ionen, welche das genaue Messen stören. Des Weiteren gehen bei der Digitalisierung der Daten durch Auflösen und Runden von Werten Informationen über genaue Messdaten verloren.

Das Berechnen von pH-Werten

Zum Berechnen der pH-Werte muss das genaue Wissen über Art und Menge der Säure bzw. Base in der Lösung vorhanden sein. In diesem Experiment wird der pH-Wert erst mit den oben erwähnten Messmethoden bestimmt. Mit dem bisher vorhandenen Wissen kann nun die Berechnung der pH-Wertes hergeleitet werden.

Nun lässt sich feststellen, dass es ein bedeutender Unterschied zwischen der Berechnung der starken und der Berechnung der schwachen Säure besteht. Die (H₃O⁺)-Konzentration entspricht der Anfangskonzentration [HA]₀, wenn es sich um eine starke Säure handelt, denn praktisch jedes Teilchen reagiert mit Wasser. Bei schwachen Säuren läuft die Reaktion nicht vollständig ab, denn ein pH-Wert von 2 bedeutet, dass es schon mehr als 10× weniger (H₃O⁺)-Ionen hat.

Zusammenfassend kann festgehalten werden:

• starke Säure → [H₃O⁺] ^= [HA]₀

• schwache Säuren müssen anders berechnet werden

Da die Reaktion mit Wasser nicht vollständig verläuft, muss die Stärke der Säure bzw Base in die Berechnung einfliessen. Dazu muss zunächst ein Mass für die Säure- bzw Basenstärke erarbeitet werden.

Exkurse

Das Mass für die Stärke von Säuren: Der pK_s-Wert

Ein Mass für die Stärke von Säuren ist der pKs –Wert. Er gibt Auskunft darüber, wie stark eine Säure ist. Es ist der negative Logarithmus der Gleichgewichtskonstante K_s, wenn eine Säure bzw Base mit Wasser reagiert.

Mit dem Massenwirkungsgesetz kann die Lage des Gleichgewichts gemessen werden, wenn eine bestimmte Menge einer Säure in Wasser gegeben wird.

Reaktionsgleichung: HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A^-

Der maximale Wert strebt gegen ∞ → Je positiver, desto schwächer die Säure

Der minimale Wert strebt gegen -∞ → Je negativer, desto stärker die Säure

Eine starke Säure hat einen pK_s-Wert mit negativem Vorzeichen, das wird aufgrund der K_s-Gleichung erklärt.

Der pK_s-Wert ist somit die Stärke der Säure gegenüber Wasser. HA ist hierbei die Säure, welche ihr Proton abgibt. Die Konzentration des Wassers kann hier vernachlässigt werden, da sie beinahe konstant bleibt. Man sieht hier also, dass bei einem hohen K_s-Wert die Konzentration an Edukten sehr niedrig ist.

Säuren sind stark, wenn pKs < 0

Die Stärke von Basen: Der pK_B-Wert

Base + H₂O ⇌ konj. Säure + OH^-

Je stärker die konjugierte Säure, umso schwächer ist die Base, da die starke Säure Tendenz hat Protonen abzugeben und die schwache Säure notwendigerweise eine geringere, die Protonen zu halten.

Oben: Starke Säuren - Schwache Basen

Unten: Schwache Säuren - Starke Basen

Basen sind stark, wenn pKB < 0

Berechnung des pK_B aus dem pK_s:

Hier sieht man auch wieder, dass eine starke Säure eine schwache konjugierte Base hat.

Mit diesen weiteren Kenntnissen, können nun auch der pH-Wert schwacher Säuren bzw Basen berechnet werden.

Berechnung des pH-Wertes starker Säuren und Basen

Aus dem einleitenden Experiment geht die folgende Berechnugsformel hervor.

Aus diesem Zusammenhang lässt sich auch der Berechnungsweg für starke Basen herleiten.

Achtung! Bei mehrprotonigen Säuren muss die Anzahl der OH^- - und H₃O⁺ - Ionen aus der Formel des Stoffes hergeleitet werden. Zur Veranschaulichung ein Beispiel:

- Bei Ca(OH)₂ entstehen beim Lösen in Wasser pro Calciumhydroxid zwei OH^- - Ionen, also bei 0.1M Ca(OH)₂ sind das 0.2M OH^-.

Berechnung des pH-Wertes schwacher Säuren und Basen

(HAc ist in diesem Fall das Symbol für eine schwache Säure)

Aus dieser Formel HAc + H₂O ↔ Ac^- + H₃O⁺ geht beispielsweise ein pK_s-Wert von 4.8 hervor.

Da x = [H₃O⁺]_GW = -log[H₃O⁺]_GW kann nun der pH-Wert schwacher Säuren mit der nachstehenden Gleichung berechnet werden:

Demnach lautet die Formel für schwache Basen:

Quellen

• Chemieunterlagen
• Wikipedia
• http://www.guidobauersachs.de/allgemeine/SABA.html

Weblinks

• [1] – Bilder
• http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Indikatoren.png - Indikator-Bild