Ionenprodukt des Wassers (Kw) & Säure-Base-Indikatoren

Ionenprodukt des Wassers (K_w)

Reines Wasser ist nicht elektrisch leitfähig, weist aber eine sehr geringe Leitfähigkeit auf, die mit sehr empfindlichen Geräten gemessen werden kann. Dieses Verhalten zeigt, dass in reinem Wasser Ionen, wenn auch in sehr geringen Konzentrationen, vorhanden sind.

Die Autoprotolyse des Wassers

Aufgrund seines amphoteren Charakters findet folgende Autoprotolyse statt:
H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-
(Säure 1 / Base 2 / Säure 2 / Base 1)

Definition des Ionenprodukts K_w

Nach dem Massenwirkungsgesetz (MWG) gilt:
K_c = [H₃O⁺][OH^-] / [H₂O]²
Da die Konzentration von Wasser [H₂O] in verdünnten Lösungen nahezu konstant ist, wird das Ionenprodukt des Wassers K_w definiert:
K_w = [H₃O⁺][OH^-]
Bei 25 °C beträgt der Wert:
K_w = 10^-14

Im neutralen Wasser gilt:
[H₃O⁺] = [OH^-]
Daraus folgt:
K_w = [H₃O⁺]² = [OH^-]² = 10^-14
Die Konzentrationen betragen somit:
[H₃O⁺] = [OH^-] = 10^-7 M

Zusammenhang zwischen Konzentration und pH-Wert (bei 25 °C)

Die folgenden Bedingungen gelten für wässrige Lösungen in mol/L bei 25 °C:

• Neutrale Lösung:
  • [H₃O⁺] = [OH^-] = 10^-7 M
  • pH = 7
• Saure Lösung:
  • [H₃O⁺] > [OH^-]
  • [H₃O⁺] > 10^-7 M
  • pH < 7
• Basische Lösung:
  • [H₃O⁺] < [OH^-]
  • [OH^-] > 10^-7 M
  • pH > 7

Säure-Base-Indikatoren

Indikatoren sind schwache Säuren oder Basen, die sich durch unterschiedliche Farben ihrer undissoziierten Form (Säure) und ihrer konjugierten Base auszeichnen.
Betrachten wir einen sauren Indikator, HIn, in wässriger Lösung. Das Gleichgewicht stellt sich wie folgt ein:
HIn + H₂O &rightleftharpoons; In^- + H₃O⁺
(Farbe 1) (Farbe 2)

Die Indikatorkonstante K_In entspricht:
K_In = [In^-][H₃O⁺] / [HIn]

Da beide Spezies nebeneinander existieren, ergibt sich eine Mischfarbe (Zwischenfarbe) zwischen Farbe 1 und Farbe 2.

• Wird eine kleine Menge des Indikators HIn zu einer sauren Lösung hinzugefügt, erhöht sich die [H₃O⁺]-Konzentration. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links (Prinzip von Le Chatelier), und es dominiert die Farbe 1 (Säureform HIn).
• Wird eine kleine Menge des Indikators HIn zu einer basischen Lösung hinzugefügt, neutralisiert das [OH^-] die [H₃O⁺]-Ionen. Die [H₃O⁺]-Konzentration sinkt, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts, und es dominiert die Farbe 2 (konjugierte Base In^-).

Die wahrgenommene Farbe der Lösung hängt vom Verhältnis [In^-] / [HIn] ab:

• Ist dieses Verhältnis groß, dominiert die Farbe der basischen Form (In^-).
• Ist dieses Verhältnis klein, dominiert die Farbe der sauren Form (HIn).
• Ist das Verhältnis ungefähr gleich 1, liegt eine Mischfarbe vor.

Für eine klare Farbumschlagsschätzung (für das bloße Auge) wird oft ein Verhältnis von [In^-] / [HIn] &approx; 10 angenommen.

Es existiert ein spezifischer pH-Bereich, in dem der Indikator eine Mischfarbe zwischen der dissoziierten und der undissoziierten Form annimmt. Dieser Bereich wird als Umschlagsbereich bezeichnet. Der Farbwechsel erfolgt typischerweise innerhalb einer geschätzten Größenordnung von 2 pH-Einheiten und ist charakteristisch für jeden Indikator.