frezziii
GF-Mitglied
Der pH-Wert spielt in der Aquaristik eine wichtige Rolle. Meist ist ein zu hoher pH-Wert das Problem. Dieser Thread soll Grundbegriffe klären und bei Berechnungen helfen.
Achtung! Jeder handelt auf eigene Verantwortung! Wer also Säure ins Aquarium ein bringt, ist selbst für die Folgen verantwortlich! Mein Berechnungen sind theoretischer Natur und wurden in der Praxis noch nicht getestet. Wenn jemand ein pH-Meter hat, kann er außerhalb des Aquariums testen, ob meine Berechnungen stimmen.
Säuren, Definition nach Brønsted
Säuren sind Protonendonatoren. Sie übertragen ein Proton(H[SUP]+[/SUP]) auf ein anderes Molekül z.B. Wasser. Es entstehen Oxonium-Ionen(H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]):
CH[SUB]3[/SUB]COOH + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ CH[SUB]3[/SUB]COO[SUP]-[/SUP] + H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
Essigsäure(CH[SUB]3[/SUB]COOH) ist ein schwache Säure und bildet nur wenige Oxonium-Ionen. Die Stärke einer Säure wird durch den pK[SUB]S[/SUB]-Wert angeben.
Basen, Definition nach Brønsted
Basen sind Protonenakzeptoren. Sie nehmen ein Proton von einen anderen Molekül auf z.B. Wasser. Es entstehen Hydroxid-Ionen(OH[SUP]-[/SUP]):
NH[SUB]3[/SUB] + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ NH[SUB]4[/SUB][SUP]+[/SUP] + OH[SUP]-[/SUP]
Ammoniak ist ein schwache Base und bildet daher nur wenige Hydroxid-Ionen. Die Stärke einer Base wird durch den pK[SUB]B[/SUB]-Wert angegeben.
Berechnung des pH-Werts von Säuren und Basen
Alles was man braucht ist die Konzentration der Säure/Base und deren pK[SUB]S[/SUB]-/pK[SUB]B[/SUB]-Wert. Allerdings lässt sich nur der pH-Wert in reinem Wasser berechnen:
pH = 0,5*(pK[SUB]S/B[/SUB]-log(Konzentration Säure/Base in mol/L))
Neutralisationsreaktion
Wenn zwei gleiche Stoffmengen an Säure und Base zusammen kommen, neutralisieren sie sich. Dabei muss die Stoffmenge an Oxonium-Ionen und an Hydroxid-Ionen, die die Säure und die Base erzeugen gleich sein:
NaOH + HCl → NaCl + H[SUB]2[/SUB]O
Wenn man gleiche Stoffmengen an Natronlauge und Salzsäure zusammen kippt einsteht Wasser und Natriumchlorid(Kochsalz).
Berechnung des pH-Werts bei Vorhandensein eines Puffers
Um den pH-Wert eines Puffer zu berechnen, braucht man die Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Im Wasser liegt ein Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem vor:
CO[SUB]2[/SUB] + 2H[SUB]2[/SUB]O ⇌ HCO[SUB]3[/SUB][SUP]-[/SUP] + H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
HA + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ A[SUP]- [/SUP]+ H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
pH = pK[SUB]S[/SUB] + log([A[SUP]-[/SUP]]/[HA])
Man hat z.B. einen pH-Wert von 7,7 und einen K[SUB]S 4,3[/SUB]-Wert von 3,3 mmol/L. Kohlensäure hat einen pK[SUB]S[/SUB]-Wert von 6,35. Die Konzentration von HCO[SUB]3[/SUB][SUP]-[/SUP]-Ionen beträgt:
3,3 mmol/L - 0,05 mmol/L = 2,8 mmol/L
Wir setzen in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein:
7,7 = 6,35 + log([2,8*10[SUP]-3[/SUP]mol/L]/[CO[SUB]2[/SUB]])
Durch Umstellen bekommen wir die Konzentration der Kohlensäure/des Kohlenstoffdioxids raus:
[CO[SUB]2[/SUB]] = 1,25*10[SUP]-4 [/SUP]mol/L = 0,125 mmol/L
Nun wollen wir wissen, welche Konzentration x an Oxonium-Ionen wir brauchen um einen pH-Wert von 6 zu erreichen. Die Konzentration von Hydrogencarbonat-Ionen nimmt ab, da sie mit den Oxonium-Ionen zu Kohlensäure/Kohlenstoffdioxids reagieren. Gleichzeitig steigt Konzentration der Kohlensäure/des Kohlenstoffdioxids. Wir müssen also einmal subtrahieren und einmal addieren. Daraus folgt:
6 = 6,35 + log([2,8*10[SUP]-3[/SUP]mol/L - x]/[1,25*10[SUP]-4 [/SUP]mol/L + x])
x = 1,9 mmol/L = 0,0019 mol/L
n(H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP])= 0,0019 mol/L * 30L = 0,057 mol/L
Bei einen 30L Aquarium braucht man also 0,057 mol einer starken einprotonigen Säure z.B. Salzsäure(HCl) oder 0,0285 mol einer starken zweiprotonigen Säure z.B. Schwefelsäure(H[SUB]2[/SUB]SO[SUB]4[/SUB]), da Schwefelsäure zwei Protonen übertragen kann.
Laut meinen Recherchen gibt es im Baumarkt neben Schwefelsäure auch Salzsäure (33%ige) zu kaufen. Ich zweifle aber stark an den 33%. Trotzdem berechnen wie viel 33%ige Salzsäurelösung wir bräuchten:
10000g * 0,33 = 3300g
[3300g]/[[FONT=Arial, Helvetica]36,461 g/mol[/FONT] ] = 90,5 mol
10L enthalten 90,5 mol HCl
0,057 mol : 90,5 mol = 6,29*10[SUP]-4[/SUP]
10L * 6,29*10[SUP]-4 [/SUP]= 6,29*10[SUP]-3 [/SUP]L = 6,29 mL HCl
Wir brauchen also 6,29 mL HCl um auf einen pH-Wert von 6 zu kommen.
Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/PH-Wert
http://de.wikipedia.org/wiki/Henderson-Hasselbalch-Gleichung
http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/41748,0.html
Achtung! Jeder handelt auf eigene Verantwortung! Wer also Säure ins Aquarium ein bringt, ist selbst für die Folgen verantwortlich! Mein Berechnungen sind theoretischer Natur und wurden in der Praxis noch nicht getestet. Wenn jemand ein pH-Meter hat, kann er außerhalb des Aquariums testen, ob meine Berechnungen stimmen.
Säuren, Definition nach Brønsted
Säuren sind Protonendonatoren. Sie übertragen ein Proton(H[SUP]+[/SUP]) auf ein anderes Molekül z.B. Wasser. Es entstehen Oxonium-Ionen(H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]):
CH[SUB]3[/SUB]COOH + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ CH[SUB]3[/SUB]COO[SUP]-[/SUP] + H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
Essigsäure(CH[SUB]3[/SUB]COOH) ist ein schwache Säure und bildet nur wenige Oxonium-Ionen. Die Stärke einer Säure wird durch den pK[SUB]S[/SUB]-Wert angeben.
Basen, Definition nach Brønsted
Basen sind Protonenakzeptoren. Sie nehmen ein Proton von einen anderen Molekül auf z.B. Wasser. Es entstehen Hydroxid-Ionen(OH[SUP]-[/SUP]):
NH[SUB]3[/SUB] + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ NH[SUB]4[/SUB][SUP]+[/SUP] + OH[SUP]-[/SUP]
Ammoniak ist ein schwache Base und bildet daher nur wenige Hydroxid-Ionen. Die Stärke einer Base wird durch den pK[SUB]B[/SUB]-Wert angegeben.
Berechnung des pH-Werts von Säuren und Basen
Alles was man braucht ist die Konzentration der Säure/Base und deren pK[SUB]S[/SUB]-/pK[SUB]B[/SUB]-Wert. Allerdings lässt sich nur der pH-Wert in reinem Wasser berechnen:
pH = 0,5*(pK[SUB]S/B[/SUB]-log(Konzentration Säure/Base in mol/L))
Neutralisationsreaktion
Wenn zwei gleiche Stoffmengen an Säure und Base zusammen kommen, neutralisieren sie sich. Dabei muss die Stoffmenge an Oxonium-Ionen und an Hydroxid-Ionen, die die Säure und die Base erzeugen gleich sein:
NaOH + HCl → NaCl + H[SUB]2[/SUB]O
Wenn man gleiche Stoffmengen an Natronlauge und Salzsäure zusammen kippt einsteht Wasser und Natriumchlorid(Kochsalz).
Berechnung des pH-Werts bei Vorhandensein eines Puffers
Um den pH-Wert eines Puffer zu berechnen, braucht man die Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Im Wasser liegt ein Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem vor:
CO[SUB]2[/SUB] + 2H[SUB]2[/SUB]O ⇌ HCO[SUB]3[/SUB][SUP]-[/SUP] + H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
HA + H[SUB]2[/SUB]O ⇌ A[SUP]- [/SUP]+ H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP]
pH = pK[SUB]S[/SUB] + log([A[SUP]-[/SUP]]/[HA])
Man hat z.B. einen pH-Wert von 7,7 und einen K[SUB]S 4,3[/SUB]-Wert von 3,3 mmol/L. Kohlensäure hat einen pK[SUB]S[/SUB]-Wert von 6,35. Die Konzentration von HCO[SUB]3[/SUB][SUP]-[/SUP]-Ionen beträgt:
3,3 mmol/L - 0,05 mmol/L = 2,8 mmol/L
Wir setzen in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein:
7,7 = 6,35 + log([2,8*10[SUP]-3[/SUP]mol/L]/[CO[SUB]2[/SUB]])
Durch Umstellen bekommen wir die Konzentration der Kohlensäure/des Kohlenstoffdioxids raus:
[CO[SUB]2[/SUB]] = 1,25*10[SUP]-4 [/SUP]mol/L = 0,125 mmol/L
Nun wollen wir wissen, welche Konzentration x an Oxonium-Ionen wir brauchen um einen pH-Wert von 6 zu erreichen. Die Konzentration von Hydrogencarbonat-Ionen nimmt ab, da sie mit den Oxonium-Ionen zu Kohlensäure/Kohlenstoffdioxids reagieren. Gleichzeitig steigt Konzentration der Kohlensäure/des Kohlenstoffdioxids. Wir müssen also einmal subtrahieren und einmal addieren. Daraus folgt:
6 = 6,35 + log([2,8*10[SUP]-3[/SUP]mol/L - x]/[1,25*10[SUP]-4 [/SUP]mol/L + x])
x = 1,9 mmol/L = 0,0019 mol/L
n(H[SUB]3[/SUB]O[SUP]+[/SUP])= 0,0019 mol/L * 30L = 0,057 mol/L
Bei einen 30L Aquarium braucht man also 0,057 mol einer starken einprotonigen Säure z.B. Salzsäure(HCl) oder 0,0285 mol einer starken zweiprotonigen Säure z.B. Schwefelsäure(H[SUB]2[/SUB]SO[SUB]4[/SUB]), da Schwefelsäure zwei Protonen übertragen kann.
Laut meinen Recherchen gibt es im Baumarkt neben Schwefelsäure auch Salzsäure (33%ige) zu kaufen. Ich zweifle aber stark an den 33%. Trotzdem berechnen wie viel 33%ige Salzsäurelösung wir bräuchten:
10000g * 0,33 = 3300g
[3300g]/[[FONT=Arial, Helvetica]36,461 g/mol[/FONT] ] = 90,5 mol
10L enthalten 90,5 mol HCl
0,057 mol : 90,5 mol = 6,29*10[SUP]-4[/SUP]
10L * 6,29*10[SUP]-4 [/SUP]= 6,29*10[SUP]-3 [/SUP]L = 6,29 mL HCl
Wir brauchen also 6,29 mL HCl um auf einen pH-Wert von 6 zu kommen.
Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/PH-Wert
http://de.wikipedia.org/wiki/Henderson-Hasselbalch-Gleichung
http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/41748,0.html