Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie

Präsentation zum Thema: "Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie"—  Präsentation transkript:

1 Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie
3-1 Säuren und Basen, pH-Wert

2 Säuren und Basen, pH-Wert
Definitionen für Säuren und Basen: Nach Arrhenius Nach Brønsted und Lowry Nach Lewis Nach Lux und Flood Nach Ussanowitsch Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

3 Säuren und Basen, pH-Wert
Nach Brønsted und Lowry: Eine Säure ist ein Teilchen, das Protonen (H+-Ionen) an einen zweiten Reaktionspartner , die sogenannte Base übertragen kann. Säuren sind Protonenspender. „Teilchen, die Protonen abgeben können, werden dementsprechend als Protonendonatoren oder Säuren bezeichnet.“ Basen sind Protonenfänger Teilchen, die Protonen aufnehmen können, werden dementsprechend als Protonenakzeptoren oder Basen bezeichnet. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

4 Säuren und Basen, pH-Wert
Säuren / Base- Paare (2) Beim Zusammenbringen einer Säure treten stets Protonenübertragungen (Protolysen) ein. Beispiele: HCl + H2O H3O+ + Cl- Na+Cl- + H2SO4 2 HCl + Na2+SO42- NH3 + H2O OH- + NH4+ HCl + NH3 NH4+Cl- NH4+Cl- + Na+OH- NH3 + H2O + Na+Cl- Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

5 Säuren und Basen, pH-Wert
„Die betrachteten Reaktionen zeigen, daß die aus Säuren (HCl, H2O, NH4+) durch Protonenabgabe entstehenden Teilchen (Cl-, OH-, NH3) wiederum H+-Ionen aufnehmen können, also Basen sind (die zu den betreffenden Säuren „zugehörigen“ oder „konjugierten“ Basen). Protonenaufnahme bzw. Protonenabgabe verlaufen also umkehrbar:“(2) HA A- + H+ Säure Base HB+ B + H+ Säure und konjugierte Base bilden ein „Säure/Base-Paar Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

6 Säuren und Basen, pH-Wert
„Es besteht also folgende Beziehung: Säure Base + Proton HA A- + H+ Je leichter eine Säure ein Proton abgibt (je „stärker“ die Säure ist), um so schwerer nimmt die konjugierte Base das Proton wieder auf. Mit anderen Worten, je stärker eine Säure, um so schwächer ist ihre konjugierte Base (oder je schwächer eine Säure, umso stärker ist ihre konjugierte Base)“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

7 Säuren und Basen, pH-Wert
Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

8 Säuren und Basen, pH-Wert
Einschub: Massenwirkungsgesetz:(1) „Eine chemische Reaktion befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn das Verhältnis zwischen dem Produkt der Konzentrationen der Reaktionsprodukte und dem Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe (Reaktionsedukte) einen für die betreffende Reaktion charakteristischen – bei gegebener Temperatur konstanten- Wert erreicht hat.“(1) Für Reaktionen vom Typ A + B C + D d.h. für Reaktionen, bei denen aus je einem Mol zweier Ausgangsstoffe je ein Mol zweier Reaktionsprodukte entstehen, gilt für das Massenwirkungsgesetz folgende mathematische Formulierung: cC ∙ cD [C] ∙ [D] = Kc oder anders geschrieben = K cA ∙ cB [A] ∙ [B] Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

9 Säuren und Basen, pH-Wert
Einschub: Ein mol sind ≈ 6,023 ∙ 1023 Teilchen 1 mol Na = 23g, 1 mol Kohlendioxid = 44g, 1 mol Wasserstoff = 2g (H2) 1 mol HCl = 36,5 g, 1 mol Cl- = 35,5 g Beispiel:(1) CO + H2O CO2 + H2 [CO2] ∙ [H2] = 4 (bei 527°C) [CO] ∙ [H2O] Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

10 Säuren und Basen, pH-Wert
Beispiel 2:(1) N2 + 3H2 2 NH3 [NH3]2 = K [N2] ∙ [H2]3 K hat für jede chemische Reaktion andere Werte. Ein hoher Wert für K zeigt an, daß das Gleichgewicht auf der Seite der Reaktionsprodukte liegt, also auf der rechten Seite der Gleichung. Ein niedriger Wert für K zeigt an, daß das Gleichgewicht auf der Seite der Ausgangsstoffe liegt, also auf der linken Seite der Gleichung. Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

11 Säuren und Basen, pH-Wert
Das Protolysengleichgewicht im Wasser: der pH-Wert „Prüft man mit sehr empfindlichen Instrumenten die Leitfähigkeit von Wasser, so beobachtet man, das auch reinstes, mehrfach in Platingefäßen destilliertes Wasser eine allerdings sehr minimale Leitfähigkeit besitzt. Es müssen also auch in reinem Wasser Ionen in sehr geringer Konzentration vorhanden sein. Sie entstehen durch folgenden Vorgang: H2O + H2O H3O+ + OH- Die Reaktion ist umkehrbar und führt zu einem allerdings sehr stark links liegenden Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht ist nun nicht nur in reinem Wasser, sondern in allen wässrigen Lösungen vorhanden, d.h. überall, wo ein Protonenübergang von Wassermolekülen auf andere Wassermoleküle möglich ist.“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

12 Säuren und Basen, pH-Wert
„In Lösungen kann aber die Konzentrationen der H3O+ und der OH- -Ionendurch den Zusatz einer Säure oder Base in ziemlich weitem Maße verändert werden; die Konzentration der H2O-Moleküle bleibt jedoch in verdünnten (!) Lösungen praktisch konstant. Das Massenwirkungsgesetz vereinfacht sich daher für dieses Gleichgewicht, indem [H2O], die Konzentration der Wassermoleküle, in die Gleichgewichtskonstante K einbezogen werden kann [H3O+] ∙ [OH-] = K; wenn [H2O] konstant: [H2O]2 “(2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

13 Säuren und Basen, pH-Wert
„ [H3O+] ∙ [OH-] = Kw Die Konstante Kw (das Ionenprodukt des Wassers) hängt nur von der Temperatur ab und beträgt bei 22°C In verdünnten(!) wässrigen Lösungen ist das Produkt aus H3O+- und OH- - Ionen-Konzentration konstant. Kennt an die eine Konzentration, so ergibt sich die andere aus der obigen Beziehung. In einer neutralen Lösung sind [H3O+] und [OH-] gleich groß: [H3O+] = [OH-] = √ mol/l “ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

14 Säuren und Basen, pH-Wert
„In sauren Lösungen überwiegt die Konzentration an [H3O+] –Ionen, in alkalischen Lösungen die Konzentration der [OH-] –Ionen. Durch die Angabe der einen dieser Konzentrationen läßt sich der Charakter einer verdünnten wässrigen Lösung eindeutig kennzeichnen. Man hat dazu die Hydroniumionen-Konzentration gewählt und verwendet als Maßzahl dafür den negativen Exponenten ihrer Zehnerpotenz, der als pH-Wert bezeichnet wird“. pH = -log [H3O+] (2) pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der [H3O+] Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

15 Säuren und Basen, pH-Wert
„Wenn man für den negativen Exponenten der OH- -Ionen-Konzentration noch den Ausdruck pOH einführt, so erhält man die Beziehung: pH + pOH = 14 In sauren Lösungen {mit [H3O+] >10-7 mol/l sind die pH-Werte kleiner als 7. In alkalischen Lösungen liegt der pH-Wert über 7. Eine neutrale Lösung hat pH 7.“ (2) Quelle: plantavis.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

16 Säuren und Basen, pH-Wert
Beispiele (2): In einer 0,5 M Natronlauge ist die Konzentration der [H3O+] = = 2 ∙10-14 mol/l 0,5 Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus dieser Konzentration: pH = -(log 2 + log 10-14) = - ( 0,3-14) = 13,7 Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

17 Säuren und Basen, pH-Wert
Beispiele (2): In einer 0,1 M Salzsäure ist die Konzentration der [H3O+] 0,1 mol/l = 10-1 mol/l pH = - log [H3O+] pH = -(log 10-1) = -(-1) = 1 Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

18 Säuren und Basen, pH-Wert
„Wenn man eine verdünnte Säure oder die Lösung einer Base (Lauge) mit einer Hydroxid- bzw. „Säurelösung“ neutralisiert, deren Gehalt man kennt, so kann man aus dem Verbrauch dieser „Standardlösung“ die ursprüngliche Konzentration der sauren bzw. basischen Lösung berechnen (Maßanalyse oder Titration). Das Ende der Reaktion muß dabei durch einen geeigneten Indikator angezeigt werden. Die Konzentration eines gelösten Stoffes kann dabei in verschiedener Weise angegeben werden. Im Alltag sind oft Massenprozente (Gramm pro 100 Gramm Lösung) üblich bei chemischen Arbeiten ist die Angabe in Mol pro Liter Lösung (Molarität) gebräuchlicher. Bei Maßanalysen wird die Berechnung oft stark vereinfacht, wenn man die Äquivalenzkonzentration als Konzentrationsmaß verwendet.“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

19 Säuren und Basen, pH-Wert
„Die Äquivalentkonzentration, (Formelzeichen: ceq), veraltet "Normalität", ist eine Konzentrationsangabe in der Chemie sie ist eine spezielle Stoffmengenkonzentration, bei der die zu Grunde gelegten Teilchen i. a. nicht ganze Atome, Moleküle oder Ionen, sondern gedachte Bruchteile 1/z solcher Teilchen sind. Hierbei ist z die stöchometrische Wertigkeit, die auch Äquivalentzahl genannt wird. Im Falle z = 3 ist also die Äquivalentkonzentration 3-mal so groß wie die Stoffmengenkonzentration, weil sozusagen jedes ganze Teilchen z-mal gezählt wird. Die Bruchteile 1/z nennt man auch Äquivalentteilchen oder Äquivalente. ceq ist ein Maß dafür, wie viele Äquivalentteilchen eines Stoffes sich in einem bestimmten Volumen der Lösung befinden.“ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

20 Säuren und Basen, pH-Wert
„Die Äquivalentkonzentration ist definiert durch die Gleichung: Ceq = C∙z Hierbei ist ceq die Äquivalentkonzentration und c die Stoffmengenkonzentration der Lösung sowie z die stöchometrische Wertigkeit , auch Äquivalentzahl. Die stöchiometrische Wertigkeit - und somit auch die Äquivalentkonzentration einer bestimmten Lösung - kann von der chemischen Reaktion, also der Verwendung der Lösung abhängig sein, ohne dass diese selbst sich ändert. Ferner ist die Äquivalentkonzentration temperaturabhängig. Übliche Einheit ist Mol/Liter.“ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

21 Säuren und Basen, pH-Wert
Beispiele: „Bei Säure-Base-Reaktionen sind Äquivalentteilchen Protonen (H+) in sauren Lösungen bzw. Hydroxid-Ionen (OH-) in basischen Lösungen. An ein Sulfation (SO42-) können sich zum Beispiel zwei Protonen anlagern, was der Wertigkeit des Säure-ions entspricht. Folglich sind in der Lösung doppelt so viele Äquivalentteilchen (hier Protonen) enthalten, wie Moleküle des Stoffes selbst. H2SO4 SO H+ “ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

22 Säuren und Basen, pH-Wert
Weitere Bespiele: „NaOH + HCl NaCl + H2O 1 mol + 1mol =1 ceq = 1 ceq 2 NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O 2 mol + 1mol =2 ceq = 2 ceq Ba(OH)2 + 2HCl BaCl2 + 2 H2O 1 mol + 2mol In all diesen Reaktionen reagiert stets 1 mol OH- -Ionen mit 1 mol H3O+-Ionen“(2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

23 Säuren und Basen, pH-Wert
Neutralisationsberechnungen: „Zur Neutralisation von 10 cm³ Salzsäure brauchte man 8 cm³ 1 M Natriumhydrodix. Wäre die Salzsäure ebenfalls 1 M, so hätte man genau 10 cm³ Hydroxid gebraucht. Da nur 8 cm³ Hydroxid benötigt wurden, ist die Säure verdünnter. 8,0 cm³ ∙ 1 mol/l = 10 cm ³ ∙ x mol /l Die Salzsäure hat eine Konzentration von 0,8 mol/l. Sie enthielt im Liter also 0,8 ∙ 36,5 g HCl = 29,2 g HCl war also 2.92 % (das spezifische Gewicht einer so verdünnten Säure ist rund 1). “ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

24 Säuren und Basen, pH-Wert
Neutralisationsberechnungen: „Um den Kalkgehalt einer Erde zu bestimmen, übergoss man 5 g Erde mit 10 cm³ 1M Salzsäure. Ein Teil davon reagierte mit Kalk (CaCO3) nach der Gleichung 2 HCl + CaCO3 CO2 + H2= + CaCl2 Die unverbrauchte Salzsäure wurde mit 1 M NaOH neutralisiert, wobei man 2,5 cm³ benötigte. Von der ursprünglichen 10 cm³ Säure haben also 7,5 cm³ mit Kalk reagiert. Aus der Reaktionsgleichung folgt das 1 Mol Salzsäure mit 0,5 Mol Kalk reagiert. Molmasse CaCO3: (1 Mol Ca (40g) + 1 Mol C (12g) + 3 Mol Sauerstoff ( 3∙12=36g)=100g 1 Mol CaCO3 = 100 g 0,5 Mol CaCO3 = 50 g Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

25 Säuren und Basen, pH-Wert
1000 cm³ 1 M Salzsäure reagieren also mit 50 g Kalk 1 cm³ 1 M Salzsäure reagiert also mit 50 mg Kalk 7,5 cm³ 1 M Salzsäure reagieren mit 7,5 ∙ 50 = 375 mg Kalk Da somit 5 g Erde 375 mg Kalk enthielten, betrug ihr Gehalt an Kalk: In 5 g befinden sich 0,375 g Kalk In 100 befinden sich 7,5 g Kalk Also 7,5%.“ (2) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1

26 Säuren und Basen, pH-Wert
Literaturquellen: Es wurde als Quellen verwendet: Übernommen aus: Nachschlagebücher für Grundlagenfächer Chemie, Schröter, Lautenschläger, VEB Fachbuchverlag Leipzig Chemie, Hans Rudolf Christen, Verlag Sauerländer Kurzes Lehrbuch der anorganischen und allgemeinen Chemie, J. Fenner und H Siegers, Springer Verlag Chemie.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 3-1