pH-Werte von Salzlösungen und pH-Reihenfolgen
Wie man den pH-Wert von Ammoniumsalzlösungen berechnet, warum Ammoniumacetat neutral reagiert und wie man gleich konzentrierte Säure- und Salzlösungen nach ihrem pH ordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Der pH-Wert einer Salzlösung folgt aus der Protolyse ihrer Ionen und lässt sich mit den Formeln für schwache Säuren und Basen berechnen.
- Den p\(K_\mathrm{s}\) von \(\ce{NH4+}\) erhält man über p\(K_\mathrm{s}\) = 14 − p\(K_\mathrm{b}\) zu 9,25.
- Eine 0,1-molare Ammoniumchlorid-Lösung hat einen pH von etwa 5,1.
- Ammoniumacetat reagiert annähernd neutral, weil p\(K_\mathrm{s}\) der Essigsäure und p\(K_\mathrm{b}\) von Ammoniak beide etwa 4,75 betragen.
- Für 0,1 mol/L steigt der pH: Trichloressigsäure < Essigsäure < Ammoniumchlorid < Ammoniumacetat.
Worum es geht
Salzlösungen sind selten genau neutral. Wer die Salzprotolyse kennt, kann ihren pH-Wert auch beziffern. Das braucht man etwa, um Arzneistoffsalze in Lösung einzuschätzen.
Kationsäuren berechnen
Ammoniumchlorid reagiert sauer. Das Ammoniumion gibt als Kationsäure ein Proton an Wasser ab. Das Chlorid ist die Base der starken Salzsäure und bleibt unbeteiligt.
\[\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}\]
Den pH berechnet man wie bei einer schwachen Säure. Tabellen nennen aber meist nur den p\(K_\mathrm{b}\) von Ammoniak. Den p\(K_\mathrm{s}\) der Kationsäure liefert das konjugierte Paar.
- Konstante umrechnen: p\(K_\mathrm{s}(\ce{NH4+})\) = 14 − p\(K_\mathrm{b}(\ce{NH3})\) = 14 − 4,75 = 9,25 (bei 25 °C).
- Formel wählen: pH = ½ (p\(K_\mathrm{s}\) − lg \(c\)).
- Einsetzen für 0,1 mol/L: pH = ½ (9,25 + 1) ≈ 5,1.
Eine 0,1-molare Ammoniumchlorid-Lösung ist also schwach sauer. Verdünnt man auf 0,01 mol/L, steigt der pH um eine halbe Einheit auf etwa 5,6.
Salze schwacher Säuren und Basen
Im Ammoniumacetat sind beide Ionen protolyseaktiv. Entscheidend ist ein Zahlenzufall. Der p\(K_\mathrm{s}\) der Essigsäure und der p\(K_\mathrm{b}\) von Ammoniak liegen beide bei 4,75. Beide protolysieren mit Wasser also fast gleich stark, und zwar nur wenig. Im Gleichgewicht von Ammoniak mit Wasser überwiegen deshalb \(\ce{NH3}\) und \(\ce{H2O}\).
Für die konjugierten Teilchen gilt dasselbe Spiegelbild. Ammonium hat p\(K_\mathrm{s}\) 9,25 und ist damit eine viel schwächere Säure als Essigsäure. Acetat hat p\(K_\mathrm{b}\) 9,25. Kationsäure und Anionbase sind also gleich schwach.
Beide Protolysen liefern gleich viel \(\ce{H3O+}\) und \(\ce{OH-}\), die sich gegenseitig aufheben. Die Lösung reagiert annähernd neutral mit pH ≈ ½ (9,25 + 4,75) = 7,0. Allgemein gilt: Ein Salz aus schwacher Säure und schwacher Base reagiert neutral, wenn p\(K_\mathrm{s}\) der Säure ≈ p\(K_\mathrm{b}\) der Base. Ammoniumacetat stammt nicht von einer starken Base. Darum reagiert es anders als Natriumacetat nicht alkalisch.
pH-Reihenfolgen
Bei gleicher Konzentration bestimmt allein die Protolyse den pH. Man fragt also: Welches Teilchen gibt Protonen ab, welches nimmt sie auf, und wie stark?
| Lösung (0,1 mol/L) | wirksames Teilchen | pH |
|---|---|---|
| Trichloressigsäure | starke Säure | ca. 1 |
| Essigsäure | schwache Säure, p\(K_\mathrm{s}\) 4,75 | 2,9 |
| Ammoniumchlorid | Kationsäure, p\(K_\mathrm{s}\) 9,25 | 5,1 |
| Ammoniumacetat | Säure und Base gleich stark | 7,0 |
| Natriumacetat | Anionbase, p\(K_\mathrm{b}\) 9,25 | 8,9 |
Die drei Chloratome machen Trichloressigsäure durch ihren Elektronenzug sehr sauer, wie bei der Säurestärke von Carbonsäuren erklärt.
Freie starke Säure < freie schwache Säure < Salz mit Kationsäure < Salz aus gleich starker Säure und Base < Salz mit Anionbase.
Quiz
Aussage 1
Bei gleicher Konzentration von 0,1 mol/L hat Ammoniumchlorid-Lösung einen niedrigeren pH-Wert als Essigsäure.
Essigsäure (pH 2,9) ist saurer als Ammoniumchlorid (pH 5,1), da \(\ce{NH4+}\) mit p\(K_\mathrm{s}\) 9,25 die viel schwächere Säure ist.
Aussage 2
Ammoniumacetat-Lösung reagiert deutlich alkalisch, weil Acetat die Anionbase einer schwachen Säure ist.
Ammonium ist als Kationsäure (p\(K_\mathrm{s}\) 9,25) genau so stark wie Acetat als Base (p\(K_\mathrm{b}\) 9,25). Die Lösung reagiert annähernd neutral.
Aussage 3
Eine Ammoniumchlorid-Lösung mit 0,1 mol/L hat einen pH-Wert von etwa 5,1.
Mit p\(K_\mathrm{s}(\ce{NH4+})\) = 9,25 ergibt sich pH = ½ (9,25 + 1) ≈ 5,1.
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