Der pH-Wert von Regenwasser

In diesem Kapitel soll der pH-Wert von Regenwasser betrachtet werden. Regenwasser entsteht, nachdem Wasserdampf (der sich in Erdbodennähe gebildet hat) wieder kondensiert und aufgrund der Schwerkraft als Regen wieder auf dem Erdboden auftrifft. Nach dem Entstehungsprozess von Regen könnte man meinen, dass es sich bei Regen um “reines” Wasser handelt und der pH-Wert von Regenwasser bei pH = 7 liegen sollte (neutraler pH-Wert). Allerdings hatten wir eine ähnliche Beobachtung bei destilliertem Wasser, dass (fast) nur noch Wassermoleküle enthält. Daher sollte -so die weitläufige Meinung- der pH-Wert von destilliertem Wasser neutral sein (pH = 7). Allerdings ist der pH-Wert von destilliertem Wasser leicht sauer. Dies liegt daran, da sich Kohlendioxid aus der Umgebungsluft in dem destillierten Wasser löst und so Kohlensäure entsteht. Ob dies nun bei Regenwasser ähnlich ist, betrachten wir uns in diesem Kapitel

Der pH-Wert von Regenwasser

Wie eingangs erwähnt, bildet sich Regen bzw. Regenwasser, wenn Wasserdampf wieder kondensiert und aufgrund der Schwerkraft als Regen auf den Erdboden trifft. Beim “Fall” des Regenwassers durch die Atmosphäre kommt das Wasser mit allen Stoffen in Berührung, die sich nahe der Erdoberfläche in der Atmosphäre befinden (dies sind beispielsweise Gase wie Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid und Stickstoffoxide).

Im Kapitel “Entstehung von Basen” hatten wir gesehen, dass Nichtmetalloxide und Wasser zu Säuren reagieren. So bildet sich beispielsweise aus Wasser und Kohlenstoffdioxid die Kohlensäuren. Da es sich bei allen drei Gasen um Nichtmetalloxide handelt, entsteht (theoretisch) aus der Reaktion von Wasser und dem Gas die jeweilige entsprechende Säure. Daher müsste Regenwasser einen niedrigeren pH-Wert als 7 haben (Regenwasser müsste schwach sauer sein).

Nun ist natürlich die Konzentration von Gasen (und anderen Stoffen wie Feinstaub) in der Luftatmosphäre von Region zu Region unterschiedlich, daher schwankt der pH-Wert von Regenwasser, wenn auch weniger, als man vielleicht denkt. In Europa bzw. Deutschland nimmt man als “Durchschnittswert” von Regenwasser einen pH-Wert von 5,6 bis 5,8 an.

Betrachten wir uns nun die Gase, die sich in Luft befinden, Kohlenstoffdioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoffoxide (NOx). Daher könnte Regenwasser Kohlensäure, Schweflige Säure und Salpetrige Säure / Salpetersäure enthalten. Dies wollen wir nun Berechnen:

Der Einfluss des Kohlenstoffdioxids auf Regenwasser

Da Kohlenstoffdioxid als Hauptverursacher des sauren pH-Werts von Regenwasser gilt, fangen wir hiermit an:

Wie erwähnt, kommt es zwischen dem Regenwasser (in der Luft) und dem Kohlenstoffdioxid (in der Luft) zu einer Reaktion. Dabei reagiert das Kohlenstoffdioxid mit Wasser zu Kohlensäure. Es handelt sich bei Kohlensäure um eine schwache Säure und zudem bei dem Bildungsprozess um eine Gleichgewichtsreaktion. Daher ist die Konzentration von Kohlensäure (in Regenwasser) und der Konzentration von Kohlenstoffdioxid (in der Luft) bestimmbar (und steht in einem Gleichgewicht).

Aus den Grundgesetzen des Prinzips von Le Chatelier wissen wir, dass bei einem Gleichgewicht (bei einem Gas) der Partialdruck eines Gases proportional zur Konzentration des Gases in Flüssigkeit ist. Dieser Zusammenhang ist über das Gesetz von Henry gegeben.  Die Konzentration von gelöstem Gas in Wasser können wir berechnen und ist das Produkt aus Henrykonstante und dem Partialdruck des Gases,

Aus der Allgemeinen Chemie ist bekannt, dass wir einen Anteil von 0,04 Vol% Kohlenstoffdioxid in Luft haben. Der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid in Wasser beträgt damit 0,0004 bar. Die Henry-Konstante von Kohlenstoffdioxid können wir in einem Tabellenwerk nachsehen, z.B. bei Wikipedia (33,8 · 10-3 mol/(L· bar)

Damit ist c(CO2)= H(CO2) · p(CO2) = 0,0004 bar · 33,8 10-3 mol/(L· bar)  = 0,000014 mol/l

Nun haben wir also die (max.) Kohlenstoffdioxid-Konzentration in Wasser berechnet. Nun müssen wir daraus die Konzentration der Kohlensäure berechnen: Da es sich bei CO2 + H2O => H2CO3 um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, können wir die Gleichgewichtskonstante verwenden (K ist 3.5·10-2). Da wir nun somit die Säurekonzentration und den pKs-Wert von Kohlensäure kennen (pKs1 = 6,35) und es sich um eine schwache Säure handelt, können wir folgende Lösungsformel zur Bestimmung des pH-Wertes verwenden:

pH = 0,5·(pKs1 + log c(Kohlensäure) = 0,5·(6,35 + 4,8) = 5,58

(Hinweis: die Kohlensäure ist eine schwache zweiprotonige Säure, eine vollständige Deprotonierung (d.h. Abgabe von 2 Protonen) geschieht in wässriger Lösung nicht, daher muss der zweite Protolyseschritt nicht berücksichtigt werden).

Der Einfluss von Stickoxiden und Schwefeloxiden auf Wasser

Analog zu dem Kohlenstoffdioxid (aus dem sich Kohlensäure bildet), könnte man dies nun auch für Schwefeloxide und Stickstoffoxide berechnen. Man würde hierbei feststellen, dass (aufgrund) der niedrigen Konzentration bzw. Partialdruck von Schwefeloxiden und Stickstoffoxiden in Luft die Bildung der entsprechenden Säuren so gering ist, dass (in unseren Breitengraden) de Einfluss auf den pH-Wert durch Schwefeloxide und Stickstoffoxide “vernachlässigbar” ist.

Die Berechnung des Einflusses von Kohlenstoffdioxid auf den pH-Wert von Wasser hat einen pH-Wert von ca. 5,6 ergeben. Dies entspricht auch dem pH-Wert von Regenwasser in unseren Breitengraden (Deutschland). Der schwach saure pH-Wert von Regenwasser wird also weitestgehend von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre beeinflusst. Daher ist die Aussage (im Alltag), dass der pH-Wert des Regenwassers (fast nur) von Kohlenstoffdioxid verursacht wird, vollkommen korrekt.

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