pH-Wert Berechnung
Die Berechnung von pH-Werten setzt gewisse mathematische Grundkenntnisse voraus. Dazu gehört die Anwendung der Logarithmus-Funktion und der Umgang mit Exponenten.
Der pH-Werte einer Lösung entspricht dem negativen dekadischen Logarithmus der vorliegenden Oxoniumionenkonzentration. Diese Definition bringt es mit sich, dass für Nicht-wässrige-Systeme in der Regel kein pH-Wert angegeben werden kann.
Neben der Konzentration der Oxoniumionen ist bei pH-Wert Berechnungen auch der pOH-Wert (negativer dekadischer Logarithmus der vorliegenden Hydroxidionenkonzentration) von Bedeutung bzw. zu betrachten. Die Konzentration der beider Ionen ist über die Autoprotolysreaktion des Wassers H2O + H2O <--> H3O+ + OH- gekoppelt. Aus der für diese Reaktion gültigen "Gleichgewichtskonstanten" und dem Massenwirkungsgesetz ergiebt sich diese Kopplung als das sog. Ionenprodukt des Wassers: KW = [H3O+] x [OH-] = 10-14 mol2 / l2. Nach Logarithmierung und Multiplikation mit -1 folgt pKW = 14 = pH + pOH.
Ausgehend von reinem Wasser mit einem pH-Wert von 7, d.h. [H3O+] = 10-7 mol / l, liegt nach obiger Definition des pH-Wertes in einer leicht angesäuerten Lösung mit einem pH-Wert von 6, d.h. [H3O+] = 10-6 mol / l, eine 10 x höhere [H3O+] vor. Die [OH-] hat gleichzeitig auf 10-8 mol /l abgenommen.
Die Antwort auf die Frage, wie denn nun zu erwartende pH-Werte nach z.B. Säurezugabe in Wasser berechnet werden können, ist leider nicht in Kürze möglich. Es müssen verschiedene Näherungen und Betrachtungen angestellt werden, die unter anderem von der zugegebenen Säure abhängen.
Man unterscheidet je nach Literatur sehr starke, starke, mittelstarke, schwache und sehr schwache Säuren. Sehr starke Säuren geben ihre Protoen leicht ab, das Protolysegleichgewicht liegt auf der Seite der deprotonierten Säure, liefert also einen großen KS-Wert und damit einen kleinen pKS-Wert. Sehr schwache Säuren hingegen geben nur schwer Protonen ab, dissoziieren demnach fast gar nicht und sind durch hohe pKS-Werte charakterisiert.
- sehr stark: pKS < -3
- stark: pKS < 4,75
- mittelstark:
- sehr schwach: pKS < 15,74
- sehr schwach:
Sehr starke Säuren:
Betrachtet man z.B. die Einleitung von HCl Wasser, so ist davon auszugehen, dass der eingeleitete Chlorwasserstoff (pKs = - 6) vollständig protolysiert. Leitet man demnach 10-6 mol in einen Liter Wasser, so bilden sich daraus durch Protolyse 10-6 (oder 1 x 10-6) mol Oxoniumionen. Bereits vor der Einleitung betrug die [H3O+] = 10-7 mol / l (Autoprotolyse des Wassers). Man kann den resultierenden pH-Wert nun mit verschieden genauen Näherungen berechnen.
- Man vernachlässigt die schon im Wasser vorhandenen Oxoniumionen, d.h. man setzt [H3O+] = 1 x 10-6 mol / l, woraus sich ein pH-Wert von 6 ergibt!
- Man addiert die gebildeten Oxoniumionen zu den bereits im Wasser vorhandenen: 1 x 10-6 mol / l + 1 x 10-7 mol / l = 1 x 10-6 mol / l + 0,1 x 10-6 mol / l = 1,1 x 10-6 mol / l. Der daraus zu berechnende pH-Wert ist 5,96!
- Man berücksichtigt, dass aufgrund der umkehrbaren Autoprotolysereaktion des Wassers aus dem HCl entstehende Oxoniumionen mit Hydroxidionen zu Wasser reagieren, d.h. dass das Ionenprodukt des Wassers nicht überschritten werden kann. Deshalb reagieren bei der Säurezugabe immer ein Oxoniumion mit einem Hydroxidion (insgesamt jeweils Z mol / l) und zwar so lange, bis das chemische Gleichgewicht (Ionenprodukt) erreicht ist: (1,1 x 10-6 mol / l - Z mol /l) x (10-7 mol / l - Z mol /l) = 10-14 mol2 / l2. Die so berechnete [H3O+] = 1,0099 x 10-6 mol / l ergibt einen pH-Wert von 5,996!