pH-Berechnung -- (Einwertige) Säure / Base

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pH-Berechnung nach:
  • Schaltfläche
  • Änderung Säure / Base Wahl
  • Änderung Zahlenwerte und ENTER


Siehe auch die "Anmerkungen" unten
- vor allem zu "mehrwertig" und"kleine Konzentrationen"!
Das Programm ist für schwache Säuren, c < 10-6 mol/l, nicht mehr benutzbar! DANN: Zweites Programm benutzen -- oder für Säuren immer nur dieses!

 

  • pH-Berechnung:
    3 Möglichkeiten:
    a) Werte ändern und grüne Schaltfläche drücken.
    b) Ändern der Zuordnung Säure / Base
    c) Ändern von Zahlenwerten, beim Drücken der ENTER-Taste wird der pH-Wert berechnet.
  • Zahleneingaben:
    Erlaubt sind die "Punktform", die "Kommaform" und die Exponentialform. Für 0,0345 kann also
    "0.0345", "0,0345", "3,45e-02" geschrieben werden.
    (Nach einer Berechnung werden in den grauen Feldern die Werte in der Punktform angezeigt.)
  • Starke Säuren (Basen):
    Als pK-Wert eine genügend negative Zahl einsetzen, sinnvoll: "-9".
  • Berechnung:
    Eine Berechnung erfolgt nur, falls in den grauen Feldern Zahlenwerte vorhanden sind! (Ansonsten programminterner Abbruch mit Abfangen des Fehlers.)
  • Mehrwertige Säuren:
    Für Näherungsberechnungen kann der pK-Wert der 1. Dissoziationsstufe eingesetzt werden. Falls K1 >> K2 ist (10 mal größer oder noch mehr), ist der Fehler der pH-Berechnung sehr klein ( im Bereich 1/100).
    Beispiel: Oxalsäure, pK1 = 1,252, c = 0,1 mol/l: pH = 1,285. (Mit Gleichgewichten erhält man auch diesen Wert, wenn "exakt" pK1 und pK2 = 4,27 benutzt werden.)
    Beispiel: Citronensäure pK1 = 3,07, pK2 = 4,77, pK3 = 5,40, c = 0,1 mol/l. Wenn nur pK1 verwendet wird (= dieses Programm) ist pH = 2,056. (Mit Gleichgewichten und allen drei pK-Werten erhält man pH = 2,054.)
    Bei starken Säuren, z.B. H2SO4, gehört die zweite Disszoziationsstufe zum Typ schwache Säuren und K1 >> K2 gilt sicher.
  • Fazit - mehrwertige Säuren:
    Sie können als einwertige Säuren berechnet werden, wenn der pH-Wert ermittelt werden soll. Die Gesamtkonzentration von H3O+ ist für die pH-Berechnung praktisch durch die erste Dissoziationsstufe schon sehr genau erfasst. (Ein anderer Fall liegt natürlich vor, wenn eine Titrationskurve einer mehrwertigen Säure berechnet werden soll, oder wenn gefragt ist, wie viel H3O+ von einer Säure neutralisierbar ist. Eine gleiche Stoffmenge der zweiwertigen Schwefelsäure H2SO4 benötigt natürlich die doppelte Menge NaOH wie eine gleiche Stoffmenge einer einwertigen Säure HCl!)
  • KW:
    Es wird K    W = 10-14 (mol/l)2 benutzt.
  • Starke Säuren bei kleinen Konzentrationen:
    Falsch ist, stets mit pH = - log(c) zu rechnen. Beispiel: Eine HCl-Lösung mit der Konzentration c = 10    -8 mol/l hätte dann den pH-Wert pH = 8. Das wäre eine alkalische Lösung, also ist die Rechnung offensichtlich falsch. Mit den Gleichgewichten erhält man richtig pH = 6,978, also eine schwach saure Lösung.
    Um Schwierigkeiten zu vermeiden, benutze ich stets
    [H3O+] = c / 2 + {c2 / 4 + K    W}1/2 und pH = - log( [H3O+] ).
    Das liefert für starke Säuren bei allen Konzentrationen pH-Werte, die praktisch gleich einer Behandlung mit Gleichwichten sind. 
  • Schwache Säuren bei kleinen Konzentrationen: (Beachte "sehr klein"!)
    Wenn die Konzentration klein ist (Zahlenwerte im Bereich der Säurekonstante K und kleiner, bis ca. 10-6 mol/l) liefert eine Näherungsformel
    pH = 0,5 * [ pK - log(c) ] falsche pH-Werte.
    Ich benutze eine Näherungsformel, die für alle Konzentrationen (> 10-6 mol/l) pH-Werte liefert, die praktisch gleich einer Behandlung mit Gleichgewichten sind.
    [H3O+] = - K / 2 + {K2 / 4 + K * c}1/2 und pH = - log( [H3O+] ).
    Ist die Konzentration einer schwachen Säure sehr klein, ca. < 10-6 mol/l ist auch diese "bessere" Formel falsch! Rechnerisch erhält man sogar für Säurelösungen pH-Werte > 7; eine Säurelösung wäre also alkalisch (offenkundiger Blödsinn!). Möglich ist, für so kleine Konzentrationen die schwache Säure als "stark" zu erklären (also pK = -9 einsetzen); dann erhält man (fast) richtige pH-Werte. Dieses verwirrende Verhalten bei kleinen Konzentrationen ist dadurch begründet, dass alle Näherungsformeln den Beitrag der Eigendissoziation des Lösungsmittels Wasser nicht korrekt berücksichtigen. Am besten benutzt man dann das Programm für "2 mehrwertige Säuren"; dort kann man die Konzentration der 2. Säure auf 0 setzen. Dieses Programm löst alle Gleichgewichte iterativ und liefert - bis auf die Annahme, dass Konzentrationen anstelle der Aktivitäten benutzt werden - richtige pH-Werte.
  • Generelles Verfahren:
    Es wird mit Konzentrationen und nicht mit Aktivitäten gerechnet. Vor allem für starke Säuren sind daher in der Praxis bei hohen Konzentrationen etwas verschiedene pH-Werte messbar!

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