Chemie Grundlagen

Ionenprodukt des Wassers

Was das Ionenprodukt des Wassers ist und welche Bedeutung es für die pH-Skala hat, zeigen wir dir in diesen Beitrag.

Möchtest du den Inhalt dieses Artikels schnell und verständlich erklärt bekommen? Dann schau dir unser Video zum Ionenprodukt des Wassers an.

Inhaltsübersicht

Ionenprodukt des Wassers einfach erklärt

Das Ionenprodukt des Wassers ist das Produkt der jeweiligen Konzentrationen von Oxonium- und Hydroxidionen in reinem Wasser. Das Ionenprodukt ist eine Anwendung des Massenwirkungsgesetzes auf die Autoprotolyse-Reaktion von Wasser. 

Merke

Die Formel zum Ionenprodukt des Wassers K_{W} lautet:

K_{W} = c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) \cdot c(\text{OH\textsuperscript{-}})

Dabei ist  c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) ist Konzentration der Oxoniumionen und c(\text{OH\textsuperscript{-}}) die Konzentration der Hydroxidionen in reinem Wasser.

Ionenprodukt

Allgemein gesagt ist das Ionenprodukt ist das Produkt der Stoffmengenkonzentrationen der sich in einer Lösung befindenden Ionen. Falls diese Lösung gesättigt ist, spricht man anstatt des Ionenproduktes vom sogenannten Löslichkeitsprodukt . Bei Salzen kann das Löslichkeitsprodukt sehr wichtige Informationen über deren Löslichkeit geben. Das Ionenprodukt spielt allerdings auch bei reinem Wasser eine wichtige Rolle, denn es hilft dir, die pH-Skala zu verstehen. Auf das Ionenprodukt des Wassers wollen wir deshalb genauer eingehen.

Ionenprodukt des Wassers

Zu einem geringen Teil reagiert Wasser mit sich selbst und bildet dabei Oxonium- (H3O+ bzw. H+) und Hydroxidionen (OH). Diesen Vorgang nennt man Eigendissoziation oder Autoprotolyse. Für die Reaktion kannst du folgende Reaktionsgleichung formulieren:

\text{2 H\textsubscript{2}O} \rightleftharpoons \text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}} + \text{OH\textsuperscript{-}}

Oxonium- und Hydroxidionen sind verantwortlich für die Eigenschaften vieler Säuren und Basen . Da diese Ionen in Wasser jeweils im gleichen Umfang vorhanden sind, kann Wasser gleichzeitig als eine sehr schwache Säure und eine sehr schwache Base wirken. Solche Stoffe werden als amphotere Stoffe bezeichnet.

Die Formel für das Ionenprodukt des Wassers leitet sich vom Massenwirkungsgesetz ab und lautet wie folgt:

K_{W} = c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) \cdot c(\text{OH\textsuperscript{-}})

Ionenprodukt des Wassers Herleitung

Die Herleitung des Ionenproduktes des Wassers kannst du ganz leicht selbst nachvollziehen. Dazu musst du zunächst für die oben gezeigte Reaktionsgleichung die entsprechende Gleichgewichtskonstante K in Form der einzelnen Konzentrationen der Produkte und Edukte ausdrücken. Du wendest dafür das Massenwirkungsgesetz an:

K = \frac{c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) \cdot c(\text{OH\textsuperscript{-}})}{(c(\text{H\textsubscript{2}O}))^{2}}

Multiplizierst du diese Gleichung auf beiden Seiten mit dem Nenner (c(\text{H\textsubscript{2}O}))^{2}, erhältst du:

K \cdot (c(\text{H\textsubscript{2}O}))^{2} = c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) \cdot c(\text{OH\textsuperscript{-}})

Jetzt musst du folgendes beachten: Zum allergrößten Teil besteht Wasser aus H2O-Molekülen und nicht aus Oxonium- und Hydroxidionen. Das Gleichgewicht der Autoprotolyse-Reaktion liegt also ganz weit auf der Eduktseite. Das bedeutet, dass sich die Konzentration der H2O-Moleküle durch die Reaktion praktisch nicht ändert.

Weil die Konzentrationsänderung ist vernachlässigbar ist, kannst du (c(\text{H\textsubscript{2}O}))^{2} als eine Konstante betrachten. Das Produkt der beiden Konstanten K und (c(\text{H\textsubscript{2}O}))^{2} wird als das Ionenprodukt des Wassers K_{W} bezeichnet.

K_{W} = c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) \cdot c(\text{OH\textsuperscript{-}})

Bei Raumtemperatur (25 °C) und einem Druck von 1 bar besitzt K_{W} den Wert 1,0 · 10-14 mol²/l². Da in Wasser  genauso viele Oxonium- wie Hydroxidionen nebeneinander vorliegen, sind deren Konzentrationen c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) und c(\text{OH\textsuperscript{-}}) gleich. Da sich der Wert von K_{W} aus der Multiplikation von c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) und c(\text{OH\textsuperscript{-}}) ergibt, gilt:

c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) = c(\text{OH\textsuperscript{-}}) = 1,0 \cdot 10^{-7}\,\text{mol/l}

An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass das Gleichgewicht von chemischen Reaktionen von der Temperatur abhängig ist. Das ist auch bei der Eigendissoziation von Wasser der Fall. Aus diesem Grund ist auch der Wert des Ionenproduktes K_{W} temperaturabhängig. Dieser steigt mit zunehmender Temperatur etwas und liegt zum Beispiel bei 50 °C bei 5,5 · 10-14 mol²/l².

Bedeutung des Ionenprodukts des Wassers

Der Wert der Konzentration der Oxoniumionen in reinem Wasser definiert einen wichtigen Punkt auf der pH-Skala: Wenn die Konzentration der Oxoniumionen c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}}) in einer wässrigen Lösung den Wert 1,0 · 10-7 mol/l besitzt, ist die Lösung neutral. Den entsprechenden pH-Wert einer neutralen Lösung erhältst du durch Einsetzen in die entsprechende Formel: 

\text{pH} = - \lg (c(\text{H\textsubscript{3}O\textsuperscript{+}})) = - \lg (1,0 \cdot 10^{-7}) = 7

Der pH-Wert einer neutralen Lösung liegt also bei 7. Lösungen mit einem pH-Wert unter 7 sind sauer. Umgekehrt sind Lösungen mit einem pH-Wert über 7 basisch.

Die Formel zur Berechnung des pH-Wertes erklären wir dir noch einmal genauer in einem anderen Video

 


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