Reise zum Verständnis des pH Wertes

Die Geschichte

Einer der wichtigen Parameter der Wasserqualität ist der pH Wert1. Eine pH-Messung zeigt, ob die Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist. Die Chemie des Wassers wurde zuvor schon von uns  diskutiert, die uns verstehen hilft, was pH wirklich ist. Im einfachsten Sinne bezieht sich pH-Wert auf der negativen logarithmischen (log) Messung der H + -Ionenkonzentration in einer Lösung 2. Je mehr H + Ionen, desto  saurer; je weniger H +, desto basischer ist dies. Der Begriff pH wurde zuerst im Jahre 1920 verwendet, aber das Konzept wurde schon vom dänischen Chemiker, Soren Peter Sorenson 1909   erfunden 3, sich  auf negativen Logarithmus  (gegenüber dem Exponent) auf die Wasserstoffionenkonzentration   zu beziehen .Das 'p' bezieht sich auf das deutsche Wort "Potenz 'oder  "Leistung" (Leistung  bezieht sich auf den Exponenten 4) . Leistung hier bezog sich  auf die Leistung von 10 als Basis des Logarythmus  und nicht auf die Stärke der Säure in Lösung 5.

Das H+ Ion

Das H + Ion kommt von der Selbstionisation oder Auto-Proteolyse des Wassers, 6, wobei  sich H2O spaltet um H + Ion (Proton) und OH- Ion (hydroxid) zu bilden.  Das heißt H2O ⇆ H + + OH-
Jedoch wird das H + -Ion zu dem negativ geladenen Sauerstoff eines anderen Wassermolekül  zogen, um  H3O + ion (Hydroniumion)zu bilden 7
Tatsächlich  existieren Ionen H + nicht im Wasser und die Verwendungsweise von H + ist in Wahrheit ein Hinweis auf das Hydronium-Ion, das durch zusätzliche Wassermoleküle zusammengesetzt ist.

Selbstionisation des Wassers

Das nebenstehende Diagramm zeigt eine genauere Erklärung der Selbstionisierung von Wasser. Ein Wassermolekül  kann ein Wasserstoffmolekül aus einem anderen Wassermolekül  ziehen, das eine  der beiden Ionenarten  ergibt, Hydroxid (OH-) und Hydronium (H3O +). 8

Beachten Sie, dass diese Reaktion umkehrbar ist. Das Hydroxid kann mit Hydroniumionen reagieren und zwei Wassermoleküle bilden. Wasser wird als amphoteren beschrieben, weil es als Säure wirken kann (ein Molekül, das H3O + erzeugt) oder als  Base (das erzeugte OH- kann die Säure zu neutralisieren), welches  die Definition von amphoteren ist.

Das Ion - Produkt des Wassers

Wenn wir die Konzentration der H3O + und OH- in reinem Wasser messen, würden sie die gleiche sein, weil für jedes Ion H3O +  ein OH- Ion erzeugt wird. 6 Aus diesem Grund ist reines Wasser ja neutral, da die Konzentration der beiden verschiedenen Ionen gleich sind. In reinem Wasser (bei 25 ° C), ist die Konzentration 1 X 10-7 Mol / Liter für sowohl  H3O + als auch OH-. Denken Sie daran, dass der pH Wert den Logarithmus  der H3O + -Konzentration darstellt. Wenn Sie also den Logarithmus - von 1 X 10-7  nehmen, erhalten  Sie den pH-Wert von 7, der, wie wir wissen, neutral ist.9
Wenn Sie die Konzentration der H3O + -Ionen und der OH- Ionen multiplizieren (das heißt 1 X 10-7 multipliziert mit 1 X 10-7), erhalten Sie 1 x 10-14. Dies wird das Ionenprodukt  des  Wassers genannt; es ist eine Konstante, die mit dem Symbol Kw.10 Beachten Sie, dass, wenn Sie die -log des Kw nehmen,  Sie 14 erhalten, das, wie Sie wissen, auf der pH-Skala von Bedeutung ist.

Die pH Skala

Die pH Skala geht von 0 bis 14, wobei 7 neutral ist

 

Dieses Bild zeigt den pH-Wert, die Hydronium-Ionen-Konzentration (symbolisiert durch   [H +], wobei die Klammern Konzentration angeben) Hydroxid (symbolisiert durch [OH]) Konzentration und pOH, welcher  nur der negative Logarithmus der Hydroxid-Konzentration ist.

 

Beachten Sie, dass bei dem Wert pH 7 die Hydronium- und Hydroxidionen die gleiche Konzentration haben. Wenn man den pH-Wert erhöht, nimmt die Hydronium-Ionen-Konzentration durch die gleiche Menge ab , wie die Hydroxid-Konzentration zunimmt. Dies liegt daran, der Kw immer konstant bleibt. Sie können einen beliebigen pH-Wert übernehmen und mit  der angegebenen Konzentrationen der Hydronium und Hydroxid-Ionen multiplizieren,  Sie werden immer 1 X 10-14 erhalten.

 

Es ist auch wichtig zu erkennen, dass  eine pH-Erhöhung um 1,   eine 10-fache Abnahme der Hydronium-Ionen-Konzentration und  eine pH Erhöhung um 3 die 1000 fache Abnahme  der Hydronium-Ionen-Konzentration den pH-Wert Ergebnisse ergibt

Eine vollständige Definition von pH

pH ist nicht nur einfach die logarythimische Konzentration von H3O,  in Wirklichkeit  ist es tatsächlich die Aktivität des Ions, das nicht dasselbe  ist. Dies wird in der folgenden Gleichung ausgedrückt

 

Wobei y  der Aktivitätskoeffizient  des Hydronium-Ion ist, das unter Verwendung der erweiterten Denye Hückel-Gleichung kalkuliert werden kann.

a ist die Größe des Ions des empirischen Parameter aus einer Tabelle. N ist die Ionenstärke , die durch die folgende Gleichung berechnet wird.

 

Ci ist die Konzentration der i-ten Spezies. 

z ist seine Ladung

 

Dies funktioniert allerdings nur bei niedrigen Ionenstärken  und berücksichtigt nicht die Ionenpaarbildung,  auch die pH-Skala, die in der Regel von 0 bis 14 zu gehen hat ist nur eine Regelabmachung.

 

 

Ein pH-Wert von 10 hat eine Hydroniumkonzentration von 1x 10(-10), welches sehr ging ist und schwer zu konzeptionieren.

 Es ist viel leichter zu sagen,  der  pH  ist 10. Jedoch ist ein pH-Wert von 0 hat 1M Hydronium-Ionen-Konzentration und das ist sehr leicht  zu verstehen