Wie formuliert man das Massenwirkungsgesetz der Protolyse?
Die Protolyse ist a eine chemische Reaktion, bei der ein Proton übertragen wird. Kann ich nun denn allgemein ein Massenwirkungsgesetz der Protolyse formulieren?
Ich hatte im Internet das hier gefunden:
c(H₃O⁺)·c(Cl⁻) / c(H₂O)·c(HCl)
Ich kann mir diese Formel jedoch nicht erklären und verstehe nicht ganz, was das nun mit Protolyse zu tun hat. Die Reaktionsgleichung dazu ist denke ich mal:
HCl + H₂O ⇌ H₃O⁺+ Cl⁻
Da das Massenwirkungsgesetz ja die Konzentration der Edukte dividiert durch die Konzentration der Produkte ist. Könnte mir jemand erklären was hier passiert bzw. was dieses Mwg. der Protolyse hier darstellt?
LG
3 Antworten
Die Protolyse ist a eine chemische Reaktion, bei der ein Proton übertragen wird.
Ein wichtiger Hinweis ist hier noch, dass es nicht aus einem der beteiligten Atomkerne der sonstigen beteiligten Elemente stammt, sondern ein Atomkern ist, nämlich ein ¹H⁺-Ion.
Es kann übrigens auch eine „Deuterolyse“ sein, bei der ein ²H⁺-Ion ausgetauscht wird. Die sind nur deutlich seltener. Man bezeichnet beides als Protolyse, denn rein chemisch verhalten sich Deuteronen praktisch wie Protonen.
Die Reaktionsgleichung dazu ist denke ich mal:
HCl + H₂O ⇌ H₃O⁺+ Cl⁻
Ich habe den Reaktionspfeil durch '&rlharp;' (HTML-Code; kannst Du aus einem Texteditor reinkopieren und wird als '⇌' dargestellt) ersetzt, denn es ist ja eine Gleichgewichtsreaktion, auch wenn das Gleichgewicht in diesem Fall weit auf der rechten Seite liegt. Das kommt durch einen relativ hohen Wert von K zum Ausdruck. Beide Reaktionen finden auch im Gleichgewicht ständig statt (dynamisches Gleichgewicht), aber gleich schnell.
Ich hatte im Internet das hier gefunden:
c(H₃O⁺)·c(Cl⁻) / c(H₂O)·c(HCl)
Ich kann mir diese Formel jedoch nicht erklären…
Das ist noch gar keine Formel, denn hier fehlt ein „= K“, wobei K eine von Temperatur und Druck abhängige Größe darstellt, die allerdings dennoch „Gleichgewichtskonstante“ heißt.
Das Wort „Konstante“ bezieht sich auf das Verhalten, wenn man von den Edukten oder Produkten etwas hinzufügt oder entfernt:
Fügt man von den Edukten etwas hinzu, führt dies zu einer Reaktion zu den Produkten, bis sich wieder K einstellt, fügt man von den Produkten etwas hinzu, dann findet eine Rückreaktion statt, ebenfalls, bis sich K wieder einstellt.
Ein allgemeines MWG für Protolysen einprotoniger Säuren lässt sich etwa erstellen, wenn Du Cl durch einen Platzhalter wie A für den „Säurerest“ ersetzt: Die Reaktion ist
(1) HA + H₂O ⇌ H₃O⁺+ A⁻
und das zugehörige MWG
(2) c(H₃O⁺)·c(A⁻) / c(H₂O)·c(HA) = K[CA].
Fügst Du etwa HA oder Wasser hinzu, wird sofort mehr von dem noch vorhandenen HA protolysieren. Fügst Du ein Salz der X-Säure und damit X⁻-Ionen hinzu oder entziehst Wasser, wird vorübergehend die Rückreaktion schneller.
Bei mehrprotonigen Säuren ist die Sache komplexer, weil die Säure im Allgemeinen nicht alle Protonen an das Wasser abgibt. Kohlensäure (H₂CO₃) beispielsweise bildet nicht nur Carbonationen (CO₃²⁻), sondern auch Hydrogencarbonationen (HCO₃⁻), die auch berücksichtigt werden müssen.
Protolyse geht allerdings auch mit Basen. Hier fungiert die Base als Protonenempfänger. Leider gibt es ein Element 'B', nämlich Bor. Da es kein Element Q gibt, verwende ich Q als Platzhalter für die Base. In diesem Fall lautet die Reaktion
(3) Q + H₂O ⇌ OH⁻+ QH⁺
und das zugehörige MWG
(4) c(OH⁻)·c(QH⁺) / c(H₂O)·c(Q) = K[CQ].
Die Base kann beispielsweise Ammoniak (NH₃) sein, das in Wasser zu Ammoniumionen (NH₄⁺) und eben OH⁻ reagiert.
Autoprotolyse und pH/pOH-WertIn der Antwort von vach77 ist ein spezielles Beispiel aufgeführt, nämlich mit A=OH und Q=H₂O. Die „Säure“ ist hier das Wasser selbst, und die Base ebenfalls. Da Protonen hier von Wasser an sich selbst abgegeben werden, heißt dies Autoprotolyse. Die Gleichgewichtskonstante der Reaktion ist sehr klein, d.h., das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite.
Das bedeutet allerdings, dass die Konzentration des Edukts (Wasser) weitgehend als konstant behandelt werden kann, und so kann man sich vollends auf den Zähler konzentrieren, der 10⁻¹⁴(mol/l)² beträgt, wie vach77 bereits schrieb.
Dieses Konzentrationsprodukt bleibt auch bei Hinzufügen einer Säure oder Base gleich. In neutralem Wasser ist c(H₃O⁺)=c(OH⁻)=10⁻⁷mol/l, in leicht saurem Milieu (pH=5) ist c(H₃O⁺)=10⁻⁵mol/l und dementsprechend c(OH⁻)=10⁻⁹mol/l; in leicht alkalischem Milieu (pH=9) ist es umgekehrt.
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Konzentration von H⁺ dividiert durch die Einheit mol/l, der pOH-Wert ist dasselbe für OH⁻.
Was daher bei den Konzentrationen das Produkt, ist bei den pX-Werten die Summe. Es ist immer pH+pOH=14.
Das Massenwirkungsgesetz welches du gefunden hast stimmt, es werden die Konzentrationen der Produkte durch die Edukte dividiert. Das ganze zusammengerechnet gibt dann die Gleichgewichtskonstante K mit der du z.B. ermitteln kannst wie sich die Komponenten verhalten, wenn du ein Produkt entfernst oder ein Edukt im Überschuss zugibst.
Protolyse heißt einfach nur dass bei der Reaktion ein H+ übertragen wird. Die Reaktionsgleichung die du gefunden hast ist ein Beispiel von vielen für eine Protolyse, es gibt nicht die Protolyse als eine ganz spezielle Reaktion.
In deinem Beispiel wird das H+ von HCl auf das H2O übertragen, welches dann zu H3O+ wird.
Ich möchte die Antwort von Lihjana ergänzen, weil man bei Deinem Problem über das MWG der Protolysereaktion sehr leicht weiter zur Herleitung des pH kommt:
Bei dem MWG
K = [c(H₃O⁺) · c(OH⁻)] : c²(H₂O)
ist auch in verdünnten Lösungen c(H₂O) = const. = 55,55 mol/L.
Das MWG vereifacht sich jetzt, da man diese Konstante mit K zu einer neuen Konstante zusammenziehen kann. Man erhält
c(H₃O⁺) · c(OH⁻) = Kw das Ionenprodukt des Wassers.
Kw hängt nur von der Temperatur ab und beträgt bei Zimmertemperatur Kw = 10⁻¹⁴ mol²/L²
In neutralen Lösungen ist dann c(H₃O⁺) = c(OH⁻) = 10⁻⁷ mol/L
Man hat nun zur Charakterisierung einer sauren oder alkalischen Lösung c(H₃O⁺) gewählt und verwendet als Maßzahl den pH.
pH = -lg c(H₃O⁺).
Okay danke! Aber was hat das jetzt mit der Protolyse zu tun? Bzw warum ist das das Massenwirkungsgesetz der Protolyse?