der pH-Werte - Warum besucht man www.dreifinger.de?
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„Wo ist was“ der pH-Werte 1,5 2,5 3 5 5,5 Magensäure Zitronensaft Essig Kaffee Haut Wir haben einen pH-Wert von 1,7 oder mehr pH lg c( H 3 O ) c( H 3O ) 10 pH pH 1, 7 c( H 3O ) 10 1,7 0, 01995 mol L Eine Herleitung oder so Eine Säure HA reagiert mit Wasser: HA H 2 O A H 3 O Es handelt sich übrigens um eine Protolyse (Säure-Base-Reaktion): Donator ist derjenige, der das H+-Ion abgibt (die Säure) und Akzeptor derjenige, der das H+Ion aufnimmt (die Base). Protolysen sind das Gegenstück zu den Redox-Reaktionen, bei denen Elektronen übergeben werden. Oben findet eine konjugierte Säure-Base-Reaktion statt: HA wird zu A- und H2O zu H3O+. Wenden wir nun das Massenwirkungsgesetz an: K c( A ) c( H 3O ) c( H 2 O) c( HA) Errechnen wir nun die Konzentration von Wasser: Ein Liter Wasser wiegt 1000g. Ein Mol Wasser wiegt 18g. Folglich sind in einem Liter Wasser 55,5mol. Da sich jedoch die Konzentration des Wassers verglichen mit den anderen Zahlen kaum verändert, integrieren wir sie in die Konstante (dann „Säurekonstante“): K S c( H 2 O) K c( A ) c( H 3O ) c( HA) Das Gleichgewicht HA H 2 O A H 3O liegt desto mehr auf der rechten Seite, je stärker die Säure ist. Folglich ist KS ein Maß für die Säurestärke. Meistens wird statt dem KS der pKs-Wert angegeben: Die Rechnung erfolgt analog zu dem pH-Wert. Der Versuch mit der Gaswaschflasche Unsere Gaswaschflaschen werden erst sauber gemacht (mit dest. Wasser). Anschließend wird gekochtes Wasser zugegeben und der noch freie Raum mit Stickstoff gespült. Die Seite mit dem Rohr wird mit einem Hütchen verschlossen, die freie Seite wird mit einem Kolbenprober verbunden, in dem 50ml Stickstoff sind. Nach gut einer Woche wird der pH-Wert des Wassers gemessen, ein Kolbenprober mit 100ml CO2 gefüllt und an das Fritten-Rohr angeschlossen. An den anderen Anschluss wird ein leerer Kolbenprober befestigt, anschließend wird das CO2 langsam durch die Lösung durchgedrückt. Das soll mindestens 2 Minuten dauern. Danach wird das Volumen des CO2s im zweiten Kolbenprober gemessen und der pH-Wert bestimmt. Wir können also gucken, wie viel CO2 in das Wasser passt. Im Ausgangszustand hat unser Wasser einen pH-Wert von 7,12, am Ende 4,2. 25ml CO2 blieben über. Versuchskritik: Leider hat eine von uns nicht benannte Person vergessen, die Flasche wieder richtig zuzudrehen! Das gibt Abzüge in der B-Note. Folglich wurde das Zielvolumen von Fremden übernommen. HCO3 H 3O CO2 H 2 O c( HCO3 ) c( H 3O ) KS c(CO2 ) Die Konzentration der Oxonion-Ionen KS c( HCO3 ) 104,2 c(CO2 ) KS 104,2 104,2 c(CO2 ) Die letzte Konzentration des CO2 berechnen wir, indem wir schauen, wie viel CO2 gebunden wurde (alles abzüglich dem was übrig geblieben ist) und wie viel Wasser wir eingesetzt hatten. Umgebungswerte sind 20,2°C und 1003 hPa. p V Es gilt n . Oder nicht? R T 1003hPa 0, 075L n(CO2 ) 0, 0031mol hPa L 83,1441 293, 2 K mol K n 0, 0031mol mol c 0, 0124 V 0, 25L L 104,2 104,2 3, 21054 107 0, 0124 pKs lg K S 6, 4934 KS Was kann man mit dem pKs-Wert machen? Wir rechnen den pH-Wert einer 0,1-molaren Blausäurelösung (gasförmig, HCN) aus. Dafür erfahren wir den pKs-Wert der Blausäure: 9,4. pKs 9, 4 lg K S K S 109,4 3,981 1010 Wir schreiben das Protolysegleichgewicht auf: CN H 3O HCN H 2O Ausgangskonzentration: mol c0 ( HCN ) 0,1 L Im Gleichgewicht gilt: mol c(CN ) c( H 3O ) x L Folglich gilt laut Massenwirkungsgesetz: c(CN ) c( H 3O ) x2 Ks c( HCN ) c( H 3O ) 0,1 x 3,9811010 x2 0,1 x Hier erkennt man, dass das x verglichen mit der 0,1 verdammt klein sein muss, also vernachlässigt wird: 3,9811010 x2 0,1 x 3,9811011 6,309 106 c(CN ) c( H 3O ) 6,309 106 mol L pH lg c( H 3O ) 5, 2 Titration Wir nehmen eine unbekannte Substanz aus der Küche, nämlich Zitronensaft. Dazu geben wir Phenolphthalein und ganz viel Natronlauge (NaOH). Nämlich 222ml 0,1-molarer Lauge sowie 22,7ml 1-molare Lauge. Dann begann das Phenolphthalein zu wirken und es trat ein Farbumsturz ein. 1mol 0, 045mol Natronlauge zugegeben. Da sich Insgesamt haben wir also „quasi“ 0, 045 L L ein Natronlaugemolekül um ein Ion kümmert, werden wir wohl auch 0,045mol H3O+ gehabt haben. Diese auf 50ml verteilt ergeben eine Konzentration von 0, 045mol mol . c( H 3O ) 0,9 0, 05L L pH 100,9 0,125 Es läuft folgende Reaktion ab: Na ( aq ) OH ( aq ) A H 3O Na A 2 H 2O n( A ) n( NaOH ) n c V n cSäure VSäure cLauge VLauge cSäure cLauge VLauge VSäure Bei unseren Werten ergibt sich: mol 0, 045L mol L 0,9 0, 05L L 1 cSäure Nächster Versuch Wir nehmen 100ml 0,1-molare Salzsäure (evtl. mit einem Schuss Universalindikator) und bestimmen den pH-Wert. Anschließend wird 1-molare Natronlauge aus einer Bürette in 1mlSchritten zugegeben. Insgesamt werden 18ml zugegeben. Nach jeder Messung wird eine pHWert-Messung durchgeführt. Zuletzt stellen wir unsere Erkenntnisse grafisch dar. Falls noch Zeit ist wird die Messreihe wiederholt – nur werden wir statt Salz- auf Essigsäure zurückgreifen. Zugegebene pH-Wert pH-Wert Natronlauge Salzsäure Essigsäure 0 ml 0,97 2,76 1 ml 0,99 3,69 2 ml 1,05 3,92 3 ml 1,10 4,18 4 ml 1,16 4,38 5 ml 1,24 4,57 6 ml 1,33 4,73 7 ml 1,46 4,95 8 ml 1,61 (orange) 5,15 9 ml 1,84 (gelb) 5,52 10 ml 3,15 (grün) 6,24 11 ml 11,72 (lila) 11,92 12 ml 12,03 12,29 13 ml 12,21 12,43 14 ml 12,31 12,56 15 ml 12,40 12,63 16 ml 12,46 12,70 17 ml 12,52 12,77 18 ml 12,56 12,81 25 ml 12,76 12,97 26 ml 12,78 13,01 30 ml 12,82 13,07 35 ml 12,86 13,12 14 12 10 8 6 4 pH-Wer t Sal zsäur e 2 pH-Wer t E ssi gsäur e 0 0 ml 5 ml 10 ml 15 ml 20 ml 25 ml 30 ml 35 ml 40 ml Man erkennt einen Wendepunkt, der bei beiden Kurven bei ca. 10ml zugegebener Natronlauge liegt. Man nennt ihn Äquivalenzpunkt. Hier ist die Stoffmenge der zugegebenen Natronlauge gleich der Stoffmenge der vorgelegten Säure. Zusätzlich findet man bei schwachen Säuren einen weiteren Wendepunkt: den Halbäquivalenzpunkt. Hier ist die Stoffmenge der zugegebenen Natronlauge halb so groß wie die der vorgelegten Säure. Hier gilt pH pK s . Wir können den ursprünglichen pH-Wert der 0,1-molaren Essigsäure (ohne zugegebene Natronlauge) auch berechnen: K s 10 Pks 104,76 Ks x2 c0 x c0 K s 0,1104,76 105,76 102,88 pH log x 2,88 Der ermittelte pH-Wert (2,88) ähnelt sehr dem gemessenen (2,76).
