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Autoprotolyse des Wassers

Selbst reinstes Wasser leitet ein wenig Strom — woher kommen die Ionen?

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Wasser reagiert mit sich selbst

Wasser ist ein Ampholyt — ein Molekül kann einem anderen ein Proton übergeben.

  • Autoprotolyse:\(\ce{H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}\)
  • Oxonium-Ion:\(\ce{H3O+}\) — bewirkt die saure Reaktion einer Lösung.
  • Hydroxid-Ion:\(\ce{OH-}\) — bewirkt die alkalische (basische) Reaktion.
  • Winziger Anteil:In reinem Wasser (25 °C) ist \(c(\ce{H3O+}) = c(\ce{OH-}) = 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) — etwa ein Oxonium-Ion auf 555 Millionen Wassermoleküle.
  • Konzentration Wasser:\(c(\ce{H2O}) \approx 55{,}5\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) — praktisch unverändert.

Herleitung:

\(K_c = \dfrac{c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-})}{c^2(\ce{H2O})}\)
MWG
Massenwirkungsgesetz für die Autoprotolyse.
\(K_c\cdot c^2(\ce{H2O}) = c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-})\)
\(|\;\cdot\,c^2(\ce{H2O})\)
Weil \(c(\ce{H2O})\) konstant ist, ist die ganze linke Seite eine Konstante.
\(K_W = c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-})\)
Ergebnis
Das Ionenprodukt des Wassers; bei 25 °C gilt \(K_W = 10^{-7}\cdot 10^{-7} = 10^{-14}\ \mathrm{mol^2\,L^{-2}}\).
Merke

Ionenprodukt des Wassers: \(K_W = c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-}) = 1{,}0\cdot 10^{-14}\ \mathrm{mol^2\,L^{-2}}\) (25 °C)

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Sauer, neutral, alkalisch

\(K_W\) gilt in jeder wässrigen Lösung: Steigt die eine Konzentration, sinkt die andere.

  • Neutral:\(c(\ce{H3O+}) = c(\ce{OH-}) = 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • Sauer:\(c(\ce{H3O+}) > c(\ce{OH-})\), z. B. Salzsäure (Chlorwasserstoff in Wasser).
  • Alkalisch:\(c(\ce{OH-}) > c(\ce{H3O+})\), z. B. Natronlauge (Natriumhydroxid in Wasser).
  • Gegenläufig:\(c(\ce{OH-}) = \dfrac{K_W}{c(\ce{H3O+})}\), z. B. \(c(\ce{H3O+}) = 10^{-3}\) → \(c(\ce{OH-}) = 10^{-11}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
  • Begleit-Ionen:\(\ce{Cl-}\) aus Salzsäure und \(\ce{Na+}\) aus Natronlauge nehmen an der Protolyse nicht teil.
  • Temperatur:Die Autoprotolyse ist endotherm — \(K_W\) wächst mit der Temperatur; \(10^{-14}\) gilt für 25 °C.

Im stark vergrößerten Modellausschnitt kommen viel mehr Ionen vor als in echtem Wasser. Wähle, was du markierst, und tippe die passenden Teilchen an (Tastatur: Pfeiltasten wandern, Enter markiert, Taste 1 = \(\ce{H3O+}\), Taste 2 = \(\ce{OH-}\)). „Prüfen“ zählt nach.

Ionen im Wasser

Halte fest: Mehr Oxonium-Ionen bedeuten weniger Hydroxid-Ionen — das Produkt beider Konzentrationen bleibt gleich: \(K_W\).

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Allgemeine Hinweise

Neutral heißt nicht ionenfrei

Auch reines Wasser enthält Oxonium- und Hydroxid-Ionen — nur gleich viele und sehr wenige.

Die fehlende Konzentration

Kennst du \(c(\ce{H3O+})\), folgt \(c(\ce{OH-})\) aus \(K_W\): \(c(\ce{OH-}) = 10^{-14} : c(\ce{H3O+})\) (in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)).

Nur bei 25 °C

Der Wert \(10^{-14}\ \mathrm{mol^2\,L^{-2}}\) gilt für 25 °C. In warmem Wasser ist \(K_W\) größer — neutral bleibt es trotzdem, solange beide Konzentrationen gleich sind.

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