Säure-Base-Chemie: pH-Wert, pKs-Wert und Pufferlösungen

Definitionen nach Brønsted-Lowry

Nach dem Konzept von Brønsted werden Säuren und Basen wie folgt definiert:

• Säuren sind Protonendonatoren (sie geben Protonen, H⁺, ab).
• Basen sind Protonenakzeptoren (sie nehmen Protonen auf).

Beispiele für Säure-Base-Reaktionen

Säure

HCO₃^- + H₂O ⇌ CO₃^2- + H₃O⁺ (Oxonium-Ion)

Base

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^- (Hydroxid-Ion)

Protolyse und korrespondierende Paare

Alle Reaktionen, bei denen Protonen (H⁺) übertragen werden, nennt man Protolyse. Dabei entstehen sogenannte korrespondierende Säure-Base-Paare.

Reaktion von Salzsäure mit Wasser

HCl + H₂O → Cl^- + H₃O⁺

Protonenwanderung ohne Wasser

NH₃ + HCl → NH₄⁺ + Cl^-

Der pH-Wert

Autoprotolyse des Wassers

Wasser kann mit sich selbst reagieren, was als Autoprotolyse bezeichnet wird:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-

Ionenprodukt des Wassers

Das Ionenprodukt des Wassers (K_w) ist definiert als:

K_w = c(H₃O⁺) ⋅ c(OH^-)

Definition des pH-Wertes

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration der Oxonium-Ionen:

pH = -log(c(H₃O⁺))

• Je kleiner der pH-Wert, desto saurer ist die Lösung.
• Je größer der pH-Wert, desto alkalischer (basischer) ist die Lösung.

Der pOH-Wert

Wenn man mit Laugen (Basen) arbeitet, kennt man oft nur die Konzentration der Hydroxid-Ionen (OH^-). Der pH-Wert kann daraus über den pOH-Wert ermittelt werden.

pOH = -log(c(OH^-))

Es gilt der Zusammenhang: pH + pOH = 14

Stärke von Säuren und Basen

Die Stärke von Säuren und Basen beschreibt, in welchem Maße sie Protonen abgeben oder aufnehmen.

• Starke Säuren haben einen hohen "Protonendruck", d.h., sie übertragen ihre Protonen vollständig (vollständige Protolyse).
• Schwache Säuren haben einen geringen "Protonendruck", d.h., nur ein Teil der Säure-Teilchen überträgt die Protonen (unvollständige Protolyse).

Wichtig: Die einfache Formel zur pH-Berechnung aus der Anfangskonzentration gilt nur für starke Säuren.

Säure- und Basenkonstanten

Säurekonstante (Ks) und pKs-Wert

Die Stärke einer Säure wird durch die Säurekonstante K_s bzw. den pK_s-Wert beschrieben.

• Starke Säuren: hoher K_s-Wert, niedriger pK_s-Wert
• Schwache Säuren: niedriger K_s-Wert, hoher pK_s-Wert

pK_s = -log(K_s)

K_s = [c(Ac^-) ⋅ c(H₃O⁺)] / c(HAc)

Basenkonstante (Kb) und pKb-Wert

Analog zur Säurestärke wird die Basenstärke durch die Basenkonstante K_b bzw. den pK_b-Wert beschrieben.

• Größere Basenstärke: hoher K_b-Wert, kleiner pK_b-Wert
• Kleinere Basenstärke: niedriger K_b-Wert, großer pK_b-Wert

pK_b = -log(K_b)

K_b = [c(HAc) ⋅ c(OH^-)] / c(Ac^-)

Formeln zur pH-Wert-Berechnung

• Starke Säuren: pH = -log(c₀(Säure))
• Schwache Säuren: pH = ½ ⋅ (pK_s - log(c₀(Säure)))
• Starke Basen: pOH = -log(c₀(Base)); pH = 14 - pOH
• Schwache Basen: pOH = ½ ⋅ (pK_b - log(c₀(Base))); pH = 14 - pOH

Puffersysteme

Für viele chemische Reaktionen ist es wichtig, dass der pH-Wert konstant gehalten wird. Bei solchen Reaktionen arbeitet man in Pufferlösungen. Ein Puffersystem besteht aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base.

Wirkungsweise eines Puffers

Bei einem Puffersystem ändert sich der pH-Wert bei der Zugabe von Säuren oder Basen kaum, während ungepuffertes Wasser einen großen pH-Sprung zeigt.

• Bei Zugabe einer Säure: Die zugegebenen H₃O⁺-Ionen reagieren mit der Base-Komponente des Puffers und werden so neutralisiert.
• Bei Zugabe einer Base: Die zugegebenen OH^--Ionen reagieren mit der Säure-Komponente des Puffers und werden ebenfalls neutralisiert.

In beiden Fällen wird die Änderung des pH-Wertes effektiv abgepuffert.

Zusätzliche Grundformeln

• Konzentration: c = n / V
• Stoffmenge: n = m / M