Extrem starke Säuren (HCl, HNO3, H2SO4)
Welchen pH-Wert haben die starken Säuren HCl, HNO3 und H2SO4 im Konzentrationsbereich zwischen 10-6 und 1 M?
Vorbetrachtung
Unter einer (extrem) starken Säure versteht man eine Säure mit negativem pKS-Wert. Diese Säuren liegen in wässrigen Lösungen vollständig dissoziiert vor:
| (1) | HA → H+ + A- |
Ausgehend von der Definition des pH-Wertes als negativer dekadischer Logarithmus der H+-Aktivität kann man damit schreiben:
| (2) | pH = – log {H+} = – log γ – log [H+] = – log γ – log [HA] |
Näherungsformeln (für Taschenrechner)
Vernachlässigt man Aktivitätskorrekturen (d.h. log γ = 0), dann folgen die beiden Näherungsformeln:
| (3) | pH ≈ – log [HA] | (für 1-protonige Säuren HA) |
| (4) | pH ≈ – log 2 [H2A] | (für 2-protonige Säuren H2A) |
Der Faktor 2 in 4 berücksichtigt, dass das H2SO4-Molekül zwei H+-Ionen freisetzen kann. Das ist jedoch eine sehr grobe Näherung, da Hydrogensulfat HSO4- — im Gegensatz zu H2SO4 — keine starke Säure ist.
Exakte Berechnung mit aqion
Die pH-Berechnung ist in diesem Beispiel erklärt. Dies wenden wir nun für jede der drei Säuren und für jeweils 8 Konzentrationen an:
| Konzentration [M] | Näherung (3) | HCl | HNO3 | Näherung (4) | H2SO4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1·10-6 | 6.00 | 6.00 | 6.00 | 5.70 | 5.70 |
| 1·10-5 | 5.00 | 5.00 | 5.00 | 4.70 | 4.70 |
| 1·10-4 | 4.00 | 4.00 | 4.00 | 3.70 | 3.71 |
| 1·10-3 | 3.00 | 3.01 | 3.01 | 2.70 | 2.75 |
| 1·10-2 | 2.00 | 2.04 | 2.04 | 1.70 | 1.87 |
| 1·10-1 | 1.00 | 1.08 | 1.08 | 0.70 | 1.01 |
| 0.5 | 0.30 | 0.42 | 0.42 | 0.00 | 0.38 |
| 1.0 | 0.00 | 0.13 | 0.13 | -0.3 | 0.10 |
[Bei der Dateneingabe in aqion beachte man die Maßeinheit: Anstelle von 1·10-6 M ist 0.001 mmol/L einzugeben.]
Zwei Schlussfolgerungen
1. Bis zu einer Säurekonzentration von ca. 1 mM liefern die Näherungsformeln den korrekten pH-Wert. Bei höheren Konzentrationen (also höheren Ionenstärken) nehmen die Abweichungen zu, da die Aktivitätskorrektur fehlt. Die Differenz zwischen exaktem und genähertem pH-Wert ist ein Maß für diese Korrektur:
| (5) | pHexakt – pHNäherung = –log γ |
[Ein Berechnungsbeispiel zur Aktivitätskorrektur für 0.1 M HCl ist hier gegeben.]
2. Die Abweichung vom exaktem pH-Wert ist besonders bei der mehrprotonigen Säure H2SO4 ausgeprägt. Wie schon oben angemerkt, ist 4 keine besonders gute Näherung.
Hinweis. Man könnte annehmen, das mit kleiner werdender Säurekonzentration (und abnehmender Aktivitätskorrektur) die Näherungsgleichungen immer genauer werden. Das Gegenteil ist der Fall, wie das Beispiel einer extrem verdünnten Säure zeigt.