Autoprotolyse

Was versteht man unter Autoprotolyse?

Bestimmte Stoffe, die sowohl als Säure als auch als Base reagieren können nennt man Ampholyte. Einige dieser Stoffe reagieren auch als Säure und als Base mit sich selbst- sie protolysieren. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das Wasser.

Wenn eine Flüssigkeit eine Leitfähigkeit besitzt, so müssen in dieser Flüssigkeit Ionen (Atome die eine Ladung besitzen) vorliegen, durch deren Wanderung der Stromtransport stattfinden kann.

Wirklich reines Wasser gibt es nicht. Selbst mehrfach destilliertes Wasser enthält immer noch Fremdteilchen, z.B. aus der Glaswand des Destillationskolbens. Aber selbst wenn es uns gelingen würde, absolut reines Wasser herzustellen, würden selbst dort Ionen in geringer Konzentration vorliegen.

Diese Ionen entstehen durch Protonenübertragung von einem Wassermolekül zum anderen. Dieser Vorgang wird als Autoprotolyse bezeichnet (von griech. autos= "selbst").

Die chemische Reaktion der Autoprotolyse

Ein Wassermolekül wirkt also als Säure, ein Anderes als Base, d. h. eines von zwei Wassermolekülen gibt dem benachbarten Molekül ein Proton ab, welches von diesem Wassermolekül aufgenommen wird.

Nach dieser chemischen Reaktion erhalten wir dann ein Oxonium-Ion (H₃0⁺, das Oxonium-Ion zieht aufgrund seiner positiven Ladung Wasser-Moleküle an und erhällt so eine Hydrathülle - nach diesem Vorgang wird es als Hydronium-Ion bezeichnet), welches aufgrund seiner Ladung das ebenfalls neu gebildete Hydroxid-Ion (OH^-) anzieht.

Das Massenwirkungsgesetz

Die Ionenkonzentration der Hydronium- und Hydroxidionen liegt bei 25°C bei einer Konzentration von je 10^-7mol/L.

Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt daher stark auf der linken Seite der Reaktion.

Auf das Protolysegleichgewicht lässt sich das Massenwirkungsgesetz anwenden:

Ein Mol hat die Masse von 18 g und ein Liter Wasser besitzt bei 25°C die Masse von 997 g. Daraus folgt, dass ein Liter Wasser 55,4 mol Wasser-Moleküle enthält. Die Wassermolekül-Konzentration beträgt also 55,4 mol/L. Die Konzentration der Hydroxid- und Hydroniumionen beträgt jeweils 10^-7mol/L.

Wir setzen diese Werte nun in das Massenwirkungsgesetz ein (Erinnerung: die Konzentrationen der Ausgangsstoffe unter den Bruchstrich und die Konzentration der Produkte über dem Bruchstrich).

Das Produkt der Oxonium-Ionen und der Hydroxid-Ionen muss immer gleich sein.

Wenn die Konzentration der Hydroxid-Ionen z.B. von 10^-7 auf 10^-4 erhöht wird, so nimmt auch automatisch die Konzentration der Hydroxid-Ionen von 10^-7 auf 10^-10 ab, da das Produkt beider Konzentrationen immer konstant 10^-14 ergibt.

Das Ionenprodukt

Die Wasserkonzentration in einer verdünnten Lösung beträgt immer 55,55 mol/L. Daher lässt sich die Gleichung des Massenwirkungsgesetzes umformen:

K = (H₂O)² = K_w = c(H₃O⁺) · c(OH^-) = 10^-14mol² · L^-2

Diese Gleichung dient zur Berechnung des Ionenproduktes, welches konstant bleibt und daher 10^-14 ergeben muss, da die Konzentration der Hydroxid-Ionen und Hydronium-Ionen jeweils 10^-7 mol/L ergeben muss.

Der pH-Wert, der pOH-Wert und der pK_w-Wert

Anhand der Hydroxid-Ionen und der Hydronium-Ionen lässt sich auch der pH-Wert, der pOH-Wert und der pK_w-Wert durch folgende Formeln ermitteln:

Der pH-Wert wird also aus der Konzentration der Hydronium-Ionen bestimmt, während man den pOH-Wert über die Hydroxid-Ionen ermittelt. Der pKw-Wert ist die Summe des pH-Wertes und des pOH-Wertes.

Bei einem Temperaturunterschied verändert sich das Ionenprodukt K_w sowie die Gleichgewichtskonstante K.

Aufgabe zur Berechnung der Konzentration der Hydronium- und Hydroxid-Ionen

Eine verdünnte Säure-Lösung besitzt den pH-Wert 3,2. Wie groß sind die Konzentrationen der Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen?

gegeben: pH-Wert: 3,2

gesucht: c(H₃O⁺) und c(OH^-)

Rechnung: uns ist bekannt-> pH-Wert: 3,2 (einsetzen in die Formel) 3,2 + pOH =14 ---> pOH = 10,8

Lösung:

Konzentration der Hydronium-Ionen: 10^-3,2 da

Konzentration der Hydroxid-Ionen: 10^-10,8 da

Quellen

Trinity3000 & Runzel