Säurestärke und pKₛ-Wert

Stärke und Konzentration beantworten verschiedene Fragen

Eine starke Säure überträgt ihre Protonen in Wasser sehr weitgehend. Eine schwache Säure reagiert nur teilweise; ein erheblicher Anteil liegt im Gleichgewicht noch als nicht protolysierte Säure vor. Vergleiche beziehen sich immer auf dasselbe Lösungsmittel und passende Temperaturbedingungen.

Die Konzentration beschreibt dagegen, wie viel Säure pro Lösungsvolumen eingesetzt wurde. Eine starke Säure kann verdünnt und eine schwache Säure konzentriert vorliegen. Aus „schwach“ folgt weder „ungefährlich“ noch ein bestimmter pH-Wert.

Für einen fairen ersten Vergleich halten wir die Ausgangskonzentration konstant. Danach verändern wir nur die Konzentration einer Säure. So wird sichtbar, welcher Einfluss zur Stoffeigenschaft und welcher zur Zusammensetzung der Lösung gehört.

Was passiert bei einer schwachen Säure?

HA steht für eine einprotonige Säure, A⁻ für ihre zugehörige Base. HA gibt ein Proton an Wasser ab. Gleichzeitig können A⁻ und H₃O⁺ in der Rückreaktion wieder HA und Wasser bilden.

Im dynamischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion gleich schnell. Die Konzentrationen bleiben dann unter unveränderten Bedingungen konstant, obwohl Teilchen weiterhin reagieren. Gleichgewicht bedeutet nicht, dass gleich viel HA und A⁻ vorhanden sein muss.

Essigsäure ist ein Beispiel: Aus CH₃COOH entsteht bei der Protonenabgabe CH₃COO⁻, das Acetation. Bei einer Ausgangskonzentration von 0,10 mol/L liegt in unserer Näherung nur rund 1,3 % protolysiert vor.

Kₛ beschreibt die Lage des Gleichgewichts

Hier ist c° = 1 mol/L die Standardkonzentration. Alle c-Werte im Quotienten sind Gleichgewichtskonzentrationen. Ein größeres Kₛ steht für eine stärkere Bevorzugung der Produkte gegenüber HA und damit eine stärkere Säure.

Im Schulunterricht wird häufig direkt mit den Zahlenwerten der Konzentrationen in mol/L gerechnet und c° nicht ausdrücklich hingeschrieben. Die obige Form macht sichtbar, dass das logarithmierte Kₛ dimensionslos ist. Genauer verwendet man Aktivitäten statt Konzentrationen.

Wasser erscheint als Lösungsmittel nicht als eigener Konzentrationsfaktor in dieser vereinfachten Gleichung. Sein Beitrag ist bei der betrachteten verdünnten Lösung in der Konstante berücksichtigt.

Warum eine kleinere Zahl eine stärkere Säure bedeutet

lg ist der Zehnerlogarithmus. Für Kₛ = 10⁻³ gilt pKₛ = 3. Für Kₛ = 10⁻⁵ gilt pKₛ = 5. Wegen des Minuszeichens gehört also der kleinere pKₛ-Wert zur größeren Säurekonstante.

Eine Differenz von zwei pKₛ-Einheiten bedeutet einen Faktor 100 bei Kₛ. Sie bedeutet nicht automatisch einen Faktor 100 bei der Oxoniumkonzentration: Diese ergibt sich erst aus dem gesamten Gleichgewicht und der Ausgangskonzentration.

Für Essigsäure verwenden wir bei etwa 25 °C den gerundeten Wert pKₛ ≈ 4,76. Tabellen können aufgrund von Rundung und Bedingungen leicht abweichende Werte nennen. In englischen Quellen steht meist pKₐ; gemeint ist dieselbe Art von Säurekonstante.

Beispiel: pH einer schwachen Säure berechnen

Gegeben: eine einprotonige Säure mit c₀ = 0,100 mol/L und pKₛ = 4,76. Zunächst nehmen wir an, dass noch keine zugehörige Base zugesetzt wurde.

1. Gleichgewichtskonzentrationen ansetzen: Reagiert die Stoffmengenkonzentration x, gilt näherungsweise c(H₃O⁺) = c(A⁻) = x und c(HA) = c₀ − x. Die Eigenionisation des Wassers ist hier gegenüber x vernachlässigbar.

2. Kleine Protolyse als Näherung: Wenn x viel kleiner als c₀ ist, ersetzen wir c₀ − x durch c₀. Damit folgt:

3. Zahlen einsetzen: Kₛ = 10^−4,76 ≈ 1,74 · 10⁻⁵. Die Näherung liefert x ≈ 0,00132 mol/L.

4. pH berechnen: pH ≈ −lg(0,00132) ≈ 2,88.

5. Näherung prüfen: x geteilt durch c₀ ergibt rund 0,0132, also 1,32 %. Der verbrauchte Anteil ist klein; die Näherung ist für dieses Schulbeispiel sinnvoll. Die vollständige quadratische Rechnung im Schaubild liefert ebenfalls gerundet pH 2,88.

Wann die einfache Wurzelformel nicht genügt

Ist x nicht klein gegenüber c₀, muss im Nenner c₀ − x erhalten bleiben. Aus Kₛ = x² geteilt durch ((c₀ − x) · c°) entsteht eine quadratische Gleichung. Häufig nutzt man etwa fünf Prozent als grobe Kontrollgrenze für die kleine-x-Näherung; die erforderliche Genauigkeit entscheidet.

Bei extrem verdünnten Lösungen muss zusätzlich die Eigenionisation des Wassers berücksichtigt werden. Bei mehrprotonigen Säuren können mehrere Gleichgewichte relevant sein. Ist bereits A⁻ vorhanden, ist die Ausgangssituation ebenfalls eine andere als im Beispiel.

Der Protolysegrad α ist der Anteil der eingesetzten Säure, der protolysiert vorliegt. Bei Verdünnung kann α steigen, während die absolute Oxoniumkonzentration sinkt. Eine schwache Säure wird dadurch nicht zu einer anderen Säure mit anderem pKₛ.

Stärkere Säure – schwächere zugehörige Base

Innerhalb eines konjugierten Paares gilt: Je stärker HA als Säure ist, desto schwächer ist A⁻ als Base. Die Protonenabgabe und die entsprechende Protonenaufnahme sind miteinander verknüpft.

Für ein zusammengehöriges Paar gilt in Wasser Kₛ · K_B = K_W. Entsprechend ist pKₛ + pK_B = pK_W, bei 25 °C näherungsweise 14. Diese Beziehung gilt für die zugehörigen Partner, nicht für zwei beliebig ausgewählte Säuren und Basen.

Unterrichtsimpuls: Nur eine Größe verändern

Vergleiche zunächst die ersten drei Einstellungen mit gleicher Konzentration. Welche Größe erklärt den unterschiedlichen Protolysegrad? Wechsle danach zwischen den beiden Einstellungen mit pKₛ 4,76. Lass erklären, wie ein größerer prozentualer Anteil gleichzeitig mit einer kleineren Oxoniumkonzentration zusammenpasst.

Sechs Aufgaben zum Selbstcheck

Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.

Kostenlos üben und vertiefen

Kostenloses PDF

Säuren, Basen & pH-Wert – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

Protonenübertragung und pH-Rechnung als Grundlagen wiederholen.

Zum kostenlosen Material →

Kostenloses PDF

Titrationskurven auswerten – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

Als Vertiefung: das Verhalten schwacher Säuren in Titrationskurven untersuchen.

Zum kostenlosen Material →

Ein Nachschlagewerk für die weitere Chemie

Kaufbares Nachschlagewerk

Basiswissen Schule - Chemie 5. bis 10. Klasse

Das Duden-Basiswissen behandelt Stoffe und ihre Eigenschaften, chemische Reaktionen und das Periodensystem. Es ergänzt die Übungen dieser Seite durch ein umfassenderes Nachschlagewerk für die Sekundarstufe I.

Preis und Buchdetails ansehen →