Säuren – Ionenprodukt des Wassers

Herzlich willkommen, liebe Freundinnen und Freunde der Chemie! Bevor ich zum heutigen Thema aus der Reihe Säuren, bereits Teil 13, das Ionenprodukt des Wassers, komme, möchte ich kurz rekapitulieren, was wir im Teil 12, die Autoprotolyse des Wassers, besprochen haben.

Wir haben im letzten Video gelernt, dass das Wasser im 1. Schritt dissoziiert in ein nacktes Proton und in ein Hydroxidion. Im 2. Schritt schließlich addiert sich dieses nackte Proton an ein Wassermolekül, und es bildet sich das Hydroniumion. Wenn wir beide Prozesse summieren, so können wir sie so darstellen, dass 2 Wasserteilchen miteinander reagieren, wobei ein positiv geladenes Hydroniumion und ein negativ geladenes Hydroniumion entstehen. Diesen Prozess bezeichnet man als die Autoprotolyse des Wassers. Auf der anderen Seite haben wir vom thermodynamischen Standpunkt das Massenwirkungsgesetz angewendet und haben die Konzentration der Reaktionsprodukte dividiert durch die Konzentration des Ausgangsstoffes Wasser. Wir haben festgestellt, dass die Gleichgewichtskonstante sehr, sehr klein sein muss. Wir haben uns darum nicht gekümmert, wie groß der exakte Wert ist, sondern haben nur festgestellt, dass die Konzentration der Hydroniumionen respektive Wasserstoffionen, beim Wasser unter diesen Bedingungen, Raumtemperatur etwa, 10^-7 mol/l sind. Auf der anderen Seite ergibt sich natürlich auch, dass die Konzentration der Hydroxidionen den gleichen Wert, nämlich auch 10^-7 mol/l annimmt. Das ist eine wichtige Tatsache. Allein die Tatsache schon, dass Wasser dissoziiert in kleinen Mengen, ist von sehr großer Bedeutung für viele chemische, biochemische und Lebensprozesse. Soweit zur Einführung.

Wir können jetzt beginnen mit dem eigentlichen Thema des heutigen Videos: So, meine Lieben, das Thema des heutigen Videos lautet Säuren (13), das Ionenprodukt des Wassers. Ich habe hier schon eine kleine Vorbereitung getroffen aus dem letzten Video und habe, das möchte ich nicht verhehlen, statt Konzentration der Hydroniumionen Wasserstoffionen geschrieben. Wir haben ja bereits vereinbart, dass das machbar ist, wenn man eine klare Vorstellung darüber hat, was gemeint ist. Genauso schreibe ich auch hier konsequent Wasserstoffionen, das entspricht auch letztlich der Formel für den pH-Wert wässriger Lösung.

So, und nun wollen wir uns diese Formel einmal anschauen. Denn diese Formel birgt in sich eine ganze Menge interessantes Material. Wir haben gelernt, dass die Konzentration der Wasserstoffionen und der Hydroxidionen beim Wasser nach der Dissoziation sehr, sehr klein ist, nämlich bloß 10^-7 mol/l jeweils. Das bedeutet andererseits, dass die Konzentration des Wassers sehr, sehr groß ist. So, das will ich zunächst einmal notieren. Ich schreibe also auf: Die Konzentration des Wassers, H2O, ist groß. Und das bedeutet, dass wir in dieser Näherung, die wir ja annehmen, rein messtechnisch, annehmen können, dass die Konzentration des Wassers konstant ist. H2O, Konzentration = konstant. So, warum ist das so und warum kann man das annehmen? Na, vielleicht ein kleines Beispiel aus dem Leben: Nehmen wir einmal an, wir hätten hier Konzentration stellvertretend die Bevölkerungszahl Deutschlands, 80 Millionen, und hier H+ und OH-, wäre die Anzahl der männlichen und weiblichen Mitglieder einer bestimmten Familie. So, und wenn wir annehmen, dass sich die männliche und weibliche Anzahl der Mitglieder dieser Familie ändert, so hat das kaum einen Einfluss auf die Bevölkerungszahl Deutschlands. Denn wenn ich hier eine Änderung vornehme, ändert sich hier unten so gut wie gar nichts. Das heißt also, die Konzentration können wir als konstant annehmen. Wenn ich also wenig hiervon wegnehme, ja, also eine ganz kleine Anzahl von Teilchen, denn 10^-7 bezogen auf das gesamte System macht wenig aus. Dann bedeutet das, dass ich hier auch mit einem konstanten Divisor arbeiten kann.

Anders sieht es aus mit diesen beiden Größen. Wenn es hier Veränderungen gibt, sind die zwar absolut völlig unbedeutend, wenn ich aber die doppelte Anzahl Teilchen hiervon nehme und hier die doppelte Anzahl Teilchen, wäre dann das ganz klar, dass sich dann die Gleichgewichtskonstante ändern würde. Ja? Also in diesem Sinne. Hier können wir also nicht sagen, dass H2O konstant ist. So, das bereitet dem Anfänger häufig Schwierigkeiten. Ich hoffe, es ist ungefähr verstanden worden.

Und ich mache jetzt Folgendes, ich nehme einfach diese Reaktionsgleichung, forme um und multipliziere beide Seiten mit der Konzentration des Wassers - erhalte dann [H+]×[OH-]=. So, hier haben wir die Gleichgewichtskonstante nach dem Massenwirkungsgesetz. Die ist auf alle Fälle konstant. Und wir multiplizieren mit dem, wie wir bereits gesagt haben, konstanten Wert für die Konzentration des Wassers. Ja, und wir definieren jetzt diesen Wert, der aus beiden Konstanten sich zusammensetzt, ganz einfach als Kw. Es gibt auch andere Bezeichnungen, aber ich schreibe einfach mal Kw. Und Kw ist nach Definition das Ionenprodukt des Wassers.

Ja, und da wir ja bereits vorgearbeitet haben, können wir auch sagen, wie groß das Ionenprodukt des Wassers ist, wenn wir als Einheiten einmal annehmen mol/l, werden häufig weggelassen. Na, dann können wir ohne große Probleme schreiben = [H+] × [OH-] ist ja gerade 10^-7 × 10^-7. Und man ist in der Chemie häufig nicht so genau wie in der Mathematik oder Physik, arbeitet dort einheitslos. Man weiß natürlich, es wären mol² + Liter², schreibt dann aber ganz einfach auf =, ja, wir können es ausrechnen, 10^-7 × 10^-7 =, gleiche Basen, sogar gleiche Exponenten - ach, wunderbar! Also wir schreiben dafür 10^-14. So, das Ionenprodukt des Wassers beträgt 10^-14.

Ja, und ihr werdet dann sagen "Na, schön, nur hat er uns etwas anderes dargestellt als er vorher hatte", aber dieses Ionenprodukt hat weitreichende Konsequenzen. Das Problem ist nämlich, wenn wir die äußeren Bedingungen gleich lassen, und das bedeutet, das wären jetzt bei 200, na ja, jetzt mal nicht schwindeln. Das ist eigentlich bei 22°Celsius, muss man eigentlich sagen, nicht bei 298 Kelvin, sondern entsprechend dann bei 295 Kelvin. Dann bedeutet das, dass dieses Ionenprodukt vorliegt in wässriger Lösung, egal, ob wir reines Wasser haben, eine starke Säure und eine schwache Säure. Und das ist eine wichtige Tatsache. Das ist also unabhängig davon, welche Verbindung wir gelöst haben, ob wir einen kleinen pH-Wert haben, einen mittleren oder einen großen. Und hier kommen wir eigentlich auf eine Sache, die man erst verstehen muss. Das bedeutet, haben wir viele Wasserstoffionen, dann haben wir wenig Hydroxidionen. Und umgekehrt, wenn wir wenig Hydroxidionen haben, dann haben wir viele Wasserstoffionen. Und das sagt uns eigentlich das Ionenprodukt des Wassers aus.

Ich bedanke mich für eure Aufmerksamkeit, bis zum nächsten Mal - Tschüss!