15.5: Starke Säure- und Basenlösungen

Eine starke Säure ist eine Verbindung, die in einer wässrigen Lösung vollständig dissoziiert und eine Konzentration an Hydroniumionen erzeugt, die der anfänglichen Säurekonzentration entspricht. Beispielsweise dissoziiert 0,20 M Bromwasserstoffsäure vollständig in Wasser und erzeugt 0,20 M Hydroniumionen und 0,20 M Bromidionen.

Andererseits ist eine starke Base eine Verbindung, die in einer wässrigen Lösung vollständig dissoziiert und Hydroxidionen erzeugt. Beispielsweise dissoziieren 0,015 M KOH, ein Metallhydroxid der Gruppe 1, vollständig und erzeugen 0,015 M OH^- und 0,015 M K⁺.

Metallhydroxide der Gruppe 2, wie Bariumhydroxid [Ba(OH)₂] und Strontiumhydroxid [Sr(OH)₂], sind ebenfalls starke Basen und besitzen zwei Hydroxidionen. Dies führt dazu, dass sie im Vergleich zu NaOH oder KOH bei gleicher Konzentration eine basischere Lösung erzeugen. Beispielsweise ergeben 0,015 M Ba(OH)₂ 0,015 M Ba⁺ und 0,030 M Hydroxid.

Da starke Säuren und Basen vollständig dissoziieren, können Molverhältnisse zur Bestimmung ihrer Hydronium- und Hydroxidkonzentrationen verwendet werden, die wiederum zur Berechnung des pH-Werts oder pOH einer Lösung verwendet werden können. Beispielsweise erzeugt eine 0,030 M HCl-Lösung 0,03 M Hydroniumionen. Daher wird der pH-Wert dieser Lösung sein

Der pOH der gleichen Lösung kann mit der Formel bestimmt werden

Da der pH-Wert der Lösung 1,52 beträgt, kann ihr pOH-Wert berechnet werden als:

In ähnlicher Weise kann die Konzentration der von starken Basen erzeugten Hydroxidionen verwendet werden, um den pOH-Wert einer Lösung mithilfe der Gleichung zu bestimmen

Die obige Gleichung kann auch zur Bestimmung der Hydroxidionenkonzentration verwendet werden, wenn der pOH bekannt ist. Wenn der pOH-Wert einer Lösung beispielsweise 3,00 beträgt,

Die Multiplikation beider Seiten mit −1 ergibt

Nehmen Sie nun den Antilog beider Seiten

Somit beträgt die Hydroniumionenkonzentration der Lösung mit pOH 3 1,0 × 10⁻³ M. Eine ähnliche Methode kann verwendet werden, um die Hydroniumionenkonzentration einer Lösung zu bestimmen, wenn ihr pH-Wert bekannt ist.

Starke Säuren dissoziieren vollständig in Wasser. So dissoziiert Salpetersäure vollständig in Hydronium-Ionen und Nitrat-Ionen. Da die bei der Autoionisation von Wasser erzeugten Hydroniumionen vernachlässigbar sind, ist die Konzentration der Hydroniumionen im Wasser gleich der Konzentration der starken Säure.

Der pH-Wert dieser Lösungen kann anhand der Anfangskonzentration der starken Säure bestimmt werden.

Zum Beispiel dissoziiert HCl in einer 0,10 molaren HCl-Lösung vollständig in die Hydroniumionen und Chloridionen, und daher beträgt die Hydroniumionenkonzentration der Lösung ebenfalls 0,10 molaren. Wenn man den negativen Logarithmus dieser Konzentration nimmt, ist der pH-Wert der Lösung gleich eins.

Umgekehrt kann der pH-Wert einer Lösung verwendet werden, um die Hydroniumionenkonzentration einer Lösung zu bestimmen. Für eine Lösung mit einem pH-Wert von 3,60 kann beispielsweise die Hydroniumionenkonzentration bestimmt werden, indem die Gleichung 3,60 gleich dem negativen Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration gelöst wird.

Um die Konzentration zu lösen, multiplizieren Sie beide Seiten mit minus eins und nehmen Sie dann den Antilog beider Seiten. Die Hydronium-Ionen-Konzentration entspricht 2,5 mal zehn hoch zu minus vier Molaren.

Starke Basen, bei denen es sich um Metallhydroxide der Gruppe 1 handelt, wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid, dissoziieren vollständig in Lösung. Zum Beispiel dissoziiert 0,20 molares Natriumhydroxid vollständig in Wasser und produziert 0,20 molare Natriumionen und 0,20 molare Hydroxidionen.

Metallhydroxide der zweiten Gruppe, wie Bariumhydroxid und Calciumhydroxid, erzeugen jedoch zwei Mol Hydroxidionen für jedes Mol Base. Zum Beispiel dissoziiert 0,020 molare Calciumhydroxid vollständig in Wasser und produziert 0,020 molare Calciumionen und 0,040 molare Hydroxidionen.

Ionische Metalloxide wie Natriumoxid und Calciumoxid sind ebenfalls starke Basen. Ihr Oxidion reagiert mit Wasser und produziert Hydroxidionen.

Die Konzentration der Hydroxidionen kann zur Berechnung eines pOH und des pH-Werts der Lösung verwendet werden. Zum Beispiel hat eine fünfmal zehn bis minus fünf molare Kaliumhydroxidlösung eine gleiche Menge an Hydroxidionen wie eine starke Base und hat daher ein pOH von 4,30.

Wie der pH-Wert kann auch ein pOH der Lösung zur Bestimmung der Hydroxidionenkonzentration verwendet werden, indem die Gleichung gelöst wird: pOH entspricht dem negativen Logarithmus der Hydroxidionenkonzentration.

Da der pH-Wert plus pOH gleich 14 und der pOH 4,3 beträgt, beträgt der pH-Wert der Lösung 9,7.