Berechnung des pH-Wertes bei schwachen Säuren

Wie wir bereits bei der pH-Berechnun von starken Säuren gesehen haben, berechnet man den pH-Wert einer wässrigen Säure aus dem negativen dekadischen Logarithmus der Konzentration der Oxoniumionen. Allerdings muss man hierbei zwischen starken und schwachen Säuren unterscheiden.

Schwache Säuren – Definition

Von schwachen Säuren spricht man, wenn die Säure nicht vollständig in deprotonierter Form vorliegt. Bei (sehr) schwachen Säuren liegt also ein geringer Dissoziationsgrad vor, in der Regel liegt die Säure mehrheitlich in ursprünglicher (d.h. protonierter) Form vor.

Berechnung des pH-Wertes einer schwachen Säure

Da die schwache Säure nur teilweise ihre Protonen abgibt, entspricht die Konzentration der Oxonium-Ionen nicht der (Anfangs-) Konzentration der Säure.

Da eine schwache Säure nicht vollständig deprotolysiert, muss zur Berechnung des pH-Wertes (ähnlich wie beim Löslichkeitsprodukt) das Massenwirkungsgesetz für die Reaktion aufgestellt werden

Für diese Reaktion gilt folgender Ansatz des Massenwirkungsgesetz

Als nächstes werden (zur pH-Berechnung von schwachen Säuren) folgende Annahmen getroffen:

• Die Konzentration der Säure im Gleichgewicht beträgt [HA]₀-x
• Die Konzentration von [H₃O⁺] und [A^–] ist gleich, denn für jedes H+ das die Säure HA abgibt entsteht ein A^– .

Damit lässt sich K folgendermassen vereinfach: 

Zuletzt noch eine Vereinfachung:

• Da es sich um eine schwache Säure handelt, gibt die Säure HA kaum Protonen ab, somit gilt [HA]₀  >> [HA]₀-x

Damit erhält man: 

Formt man um, so erhält man: 
Mit pH = – log c(H₃O⁺) erhält man:

Beispiel:

Man hat 10^-1 mol/L Essigsäure mit einem pKs-Wert von 4,75. Somit erhält man einen pH-Wert von:  pH = 0.5(4,75 – (log 10^-1)) = 2,875

Berechnung des pH-Wertes bei schwachen Säuren – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der pH-Wert und wie ist er definiert?

Der pH-Wert ist eine Maßeinheit, die anzeigt, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Er wird durch die Formel pH = -log[H+] definiert, wobei [H+] die Konzentration der Hydroniumionen in der Lösung ist.

2. Was stellt die Ka-Konstante einer Säure dar?

Die Ka-Konstante ist die Gleichgewichtskonstante für eine Säure. Sie ist ein Maß für das Ausmaß, in dem eine Säure in Wasser dissoziiert (also in ihre Bestandteile zerfällt), und hilft, das Verhalten und die Stärke der Säure in Wasser zu beschreiben.

3. Wie berechnet man den pH-Wert einer schwachen Säure?

Der pH-Wert einer schwachen Säure wird üblicherweise durch den Gebrauch des -log[H3O+] oder der Ka Formel (Henderson-Hasselbalch-Gleichung) berechnet, der das Gleichgewicht zwischen nicht-dissoziierter Säure und ihrem dissoziierten Zustand beschreibt.

4. Was versteht man unter der Ionenprodukt des Wassers?

Das Ionenprodukt des Wassers (Kw) gibt die Konzentration der Hydronium– und Hydroxidionen in reinem Wasser an. Bei 25 °C beträgt Kw 1.0 x 10^-14 mol²/l².

5. Wie ändert sich der pH-Wert, wenn man verdünnte Säure zur Probe hinzufügt?

Wenn man verdünnte Säure hinzufügt, nimmt die Konzentration der Hydroniumionen zu und der pH-Wert vermindert sich, da die Lösung saurer wird.

6. Wie ändert sich der pH-Wert, wenn man eine Basis hinzufügt?

Wenn man eine Basis zu einer Säure hinzufügt, nimmt die Konzentration der Hydroniumionen ab und der pH-Wert vergrößert sich, weil die Lösung weniger sauer (also basischer) wird.

7. Was ist die Henderson-Hasselbalch-Gleichung und wie wird sie verwendet?

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ist eine modifizierte Version der Säure-Konstanten-Gleichung, die für die Berechnung des pH-Werts von Puffersystemen verwendet wird. Sie lautet: pH = pKa + log([A-]/[HA])

8. Wie wirkt sich die Temperatur auf den pH-Wert aus?

Mit steigender Temperatur nimmt die Dissoziation der Wassermoleküle zu und somit ändert sich auch das Ionenprodukt des Wassers (Kw). Dies kann dazu führen, dass sich auch der pH-Wert verändert.

9. Wie beeinflusst die Konzentration der Säure ihren pH-Wert?

Je höher die Konzentration der Säure ist, desto mehr Hydroniumionen sind vorhanden und desto niedriger ist der pH-Wert. Ein höherer pH-Wert entspricht also einer geringeren Säurekonzentration.

10. Was sind Puffer und wie wirken sie sich auf den pH-Wert aus?

Puffer sind Lösungen, die den pH-Wert konstant halten, indem sie überschüssige Hydronium- oder Hydroxidionen aufnehmen. Sie bestehen aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder umgekehrt. Sie verhindern große Schwankungen im pH-Wert.