Säuren und Basen

Der pKs-Wert

Wir können mit Hilfe des pH-Wertes die Stärke von Säuren und Basen bestimmen und verwenden.
Nun wäre es vielleicht noch interessant zu wissen wo die Konzentrationen der Ionen in einer Säure bzw. Base liegen wenn ein chemisches Gleichgewicht herrscht. Aber erst eine kleine Wiederholung. Eine Säure entsteht wenn wir ein Elektrolyten in diesem Fall ein „Nichtmetallgas“ in Wasser lösen. Nehmen wir die Salzsäure als Beispiel. Die Dissoziation ( oder besser gesagt die Protolyse ) lautet dann folgendermaßen:

HCl(g) + H2O ⇔ H3O+ (aq) + Cl- (aq)

Man sieht wie sich das Chlor vom Wasserstoffatom trennt (dissoziert). Dieses Wasserstoffatom verbindet sich mit einem Wassermolekül und bildet ein Kation. In diesem Fall heißt dieses Kation Oxonium. Doch Oxonium ist extrem instabil und verbindet sich in schon beschriebener Weise (siehe pH -Refrat) mit mehreren Wassermolekülen zu einem Hydroxoniumion (H9O4+). Das übriggebliebene Chloratom wird wegen dem Elektronenüberschuß zum Chloridanion. Soweit zur elektrolytischen Dissoziation (Protolyse). Doch nun zum eigentlichen Thema, zum pks-Wert. Wie man schon aus der Abkürzung erkennen kann wird durch diesen Wert die „Kraft des ks-Wertes ausgedrückt. Der ks - Wert beschreibt das Verhältnis der bei der elektrolytischen Dissoziation entstandenen Ionenkonzentration zur Konzentration der Elektrolytmoleküle. Ich nannte am Anfang das chemische Gleichgewicht als einen interessanten Wert. Das chemische Gleichgewicht ist das Verhältnis der Ausgangsstoffe und der Produkte einer Protolyse. Der ks-Wert gibt also das chemische Gleichgewicht in einer Säure an, denn das „s“ steht für Säure. Natürlich gibt es den gleichen Wert auch bei Basen, hier lautet dieser Wert kb. In diesem Fall steht das „b“ für Base. Nun kam man das Verhältnis der Produkte zu den Ausgangsstoffen auch mathematisch ausdrücken.

ksäure = [A-] x [H3O+]
[HA] x [H2O]

kbase = [BH+] x [OH-]
[B] x [H2O]

Bei der Säure steht das „HA“, bei der Base das „B“, für den Elektrolyt. Die Buchstaben sind eckig eingeklammert. Dies bedeutet, daß es sich um die Konzentration des Stoffes in mol/l handelt. Der Wert der bei dieser Rechnung entsteht ist bei jeder einzelnen Säure (Base) konstant, deshalb wird der ks(b) -Wert auch Säurekonstante ( Basenkonstante ) genannt. Dies ist im Prinzip die Aussage des Massenwirkungsgesetz, kurz MWG, daß schon 1867 von den Norwegern Cato Maximilian Guldberg und Peter Waage aufgestellt wurde. Eigentlich könnte man die Konzentration der Wassermoleküle aus der Formel herausnehmen, denn diese Konzentration ist eine konstante die man Kw nennt. Der Kw-Wert von reinem aqua destillata bei 22°C erechnet sich folgendermaßen.

Kw = [H3O+] x [OH-] = 1x10-14 mol/l

Man konnte ja meinen in reinem aqua destillata würden keine Protolyse stattfinden und somit auch keine Ionen aber durch die sogenannte Autoprotolyse (= von selbst geschehene Protolyse, siehe auch pH -Referat !) bilden sich aus 2 H2O -Molekülen ein H3O- und ein OH- -Ion. Der Kw- Wert ist in basischen, neutralen und Säuren Lösungen natürlich auch gleich aber die Konzentration c der Ionen ist nicht die selbe. Um anzugeben ob eine Lösung basisch, neutral oder sauer ist genügt es die Konzentration c der H3O+ -Kationen anzugeben, denn die
OH- -Konzentration ergibt sich wenn man den Kw -Wert durch die H3O--Konzentration dividiert.

Kw = [H3O+] x [OH-] | / [H3O]
[OH-] = Kw / [H3O+]

Demnach gilt:
Saure Lösungen : [H3O+] > 1x10-7 mol/l
Neutrale Lösungen : [H3O+] = 1x10-7 mol/l
Basische Lösungen : [H3O+] < 1x10-7 mol/l

Man nennt den Kw -Wert manchmal auch das Ionenprodukt des Wasser. Diese Bezeichnung ist informativer als einfach nur Kw doch diese Bezeichnung hat sich durchgesetzt. Wir könnten die Formel für den pKs(b) -Wert eigentlich verkürzen indem wir den Ks(b) -Wert direkt mit dem Kw -Wert verrechnen. Doch dies ist meiner Meinung nach verwirrend und so würde ich diese 4 Sekunden Schreibarbeit in Kauf nehmen. Und vor allem schwankt der eigentlich konstante Kw -Wert durch äußere Einflüsse wie Temperatur und Druck in einem nicht zu unterschätzenden Maße. Doch nun wieder zurück zum pK -Wert. Der pK -Wert ist fast genau wie beim pH -Wert der negative dekadische Logarithmus der Gleichgewichtskonstante Ks(b) einer Protolyse.

pKs = - (log Ks)
pKb = - (log Kb)

Der pKs und der pKb -Wert einer Säure und der konjugierten Base stehen logischerweise in einem allgemeinen Verhältnis. Dieses Verhältnis lautet:

pKs + pKb = 14

Das ist natürlich auch auf den normalen Ks(b) -Wert anwendbar:

Ks x Kb = 1x10-14 mol/l = Kw

Wie man sieht ergibt die Multiplikation von Ks und Kb einen konstanten Wert der dem Ionenprodukt des Wassers entspricht. Dieses Verhältnis der beiden Konstanten wird auf der nächsten Seite am Beispiel der Essigsäure verdeutlicht. Ich benutze hier der Einfachheit halber den K -Wert mit dem inbegriffen Kw-Wert.

Säure:
CH3COOH+H2O ⇔ H3O+(aq)+CH3COO-(aq)
Ks = [H3O+] x [CH3COO-]
[CH3COOH]

Base:
CH3COO-+H2O ⇔ OH-+CH3COOH
Kb = [OH-] x [CH3COOH]
[CH3COO-]
Ks x Kb = [H3O+] x [CH3COO-]x [OH-] x [CH3COOH] = [H3O+] x [OH-] [CH3COOH] x [CH3COO-]

Wie man sieht wird bei der Gleichsetzung gekürzt bis nur noch [H3O+] und [OH-] übrig bleibt. An diesem Beispiel wird die Allgemeingültigkeit dieser Formel deutlich. Um die Stärke einer Säure (Base) zu verbal zu formulieren sagt man:

Je stärker eine Säure ist, desto größer ist ihre Säurekonstante Ks und desto kleiner ist ihr
pKs -Wert. Je stärker eine Base ist, desto größer ist ihre Basenkonstante Kb und desto kleiner ist ihr
pKs -Wert. Hier ist eine Auswahl von pK - Werten verschiedener Säuren-Base Paaren.

Säure
    
konjugierende Base
pK
Perchlorsäure HClO4
Perchloratanion ClO-4
    
-9
Salzsäure HCl
Chloridion Cl-
    
-6
Hydronium H3O+
Wasser H2O
    
0
Essigsäure CH3COOH
Acetanion CH3COO-
    
4,76
Wasser H2O
Hydroxidion OH-
    
15,74
Hydroxidion OH-
Oxidion O2-
    
24,00

In der Tabelle erkennt man daß, das H3O+ -Ion (die konjugierte Säure zu Wasser) mit einem pKs von 24 die stärkste Säure ist, die in wäßrigen Lösungen existieren kann. Bei dieser Gelegenheit möchte ich kurz auf eine weitere Gesetzmäßigkeit hinweisen. Bei der rechten Spalte haben wir eine nach unten abnehmende Säurenstärke. In der Mitte haben wird jedoch eine nach unten zunehmende Basenstärke. Demnach ist bei einer schwachen Säure die konjugierende Base stark und bei einer schwachen Base ist die konjugierende Säure stark.
Man kann auch sagen:

Säure Base / Paar = stärkere Säure + schwächere Base
stärkere Base + schwächere Säure

Es gibt zwar noch viele interessante Werte wie zum Beispiel der Protolysengrad α oder die Geschwindigkeit einer Protolyse und die bei einer Protolyse entstandenen Energiemengen. Doch erst einmal soweit zum pKs -Wert.

Quellenangabe    

- Allgemeine Chemie: Theorie und Praxis

  • Jurian Kiessling / Werner Juengling
  • Diesterweg-Sauerländer Verlag
  • Schulbibliothek (entleihbar)

- Mentor Lernhilfe Chemie : Allgemeine und anorganische Chemie Band 1 Basiswissen

  • Silvester Behrends
  • Mentor Verlag München
  • Schulbibliothek (entleihbar)

- Mentor Lernhilfe Chemie : Allgemeine und anorganische Chemie Band 2 Aufbauwissen

  • Silvester Behrends
  • Mentor Verlag München
  • Schulbibliothek (entleihbar)

- Lehrbuch der anorganischen Chemie

  • Sigmund Heigl
  • Volker Donath
  • de Guyter-Verlag
  • Schulbibliothek (entleihbar)

- Lexikon der Biochemie und Molekularbiologie

  • Théodor Lietz
  • Karsten Reim
  • Schulbibliothek (nicht entleihbar)

- Römpp Lexikon: Biotechnologie

  • Jochen Gerling
  • Hartwin Matern

Thieme-Verlag
Schulbibliothek (nicht entleihbar)

- Römpp Lexikon: Chemie

  • Ludwig Plath
  • Ludolf Till
  • Thieme-Verlag
  • Schulbibliothek (nicht entleihbar)

- Brockhaus: Naturwissenschaften und Technik

  • Brockhaus-Verlag
  • Schulbibliothek (nicht entleihbar)

- Chemie

  • Kayetan Beermann
  • Diesterweg/Salle-Sauerländer Verlag
  • Schulbibliothek (entleihbar)

- dtv Atlas zur Chemie Band 1 und Band 2
Allgemeine und anorganische Chemie

  • Guntram Kliem
  • Deutscher-Taschenbuch-Verlag
  • Schulbibliothek (nicht entleihbar)