3.7: Säuregemisch

Der pH-Wert einer säurehaltigen Lösung kann anhand der Säuredissoziationskonstante und der Anfangskonzentration bestimmt werden. Wenn eine Lösung zwei verschiedene Säuren enthält, kann ihr pH-Wert mit einer von mehreren Methoden bestimmt werden, abhängig von der relativen Stärke der Säuren und ihren Dissoziationskonstanten.

In einer Mischung aus starker und schwacher Säure dissoziiert die starke Säure vollständig und wird zur Quelle fast aller in der Lösung vorhandenen Hydroniumionen. Im Gegensatz dazu zeigt die schwache Säure eine teilweise Dissoziation und erzeugt eine vernachlässigbare Konzentration an Hydroniumionen. Die hohe Konzentration an Hydroniumionen, die durch die starke Säure erzeugt werden, verringert die Dissoziation der schwachen Säure weiter. Nach dem Prinzip von Le Chatelier geschieht dies: „Wenn ein chemisches System im Gleichgewicht gestört wird, verschiebt sich das System in eine Richtung, die die Störung minimiert.“ Die von der starken Säure erzeugten überschüssigen Hydroniumionen stören das Gleichgewicht und daher verläuft die Reaktion in die umgekehrte Richtung, bis sich das Gleichgewicht einstellt. Dies führt zu einer Abnahme der Dissoziation der schwachen Säure. Aufgrund dieser Abnahme kann der pH-Wert einer Mischung aus starker und schwacher Säure nur anhand der Konzentration der starken Säure berechnet werden. Beispielsweise kann der pH-Wert einer Mischung mit einer gleichen Konzentration an Salzsäure (HCl), einer starken Säure, und Ameisensäure (HCHO2), einer schwachen Säure, nur aus der HCl-Konzentration bestimmt werden. Wenn die Konzentration von HCl in der Mischung 0,0020 M beträgt, kann der pH-Wert wie folgt berechnet werden.

pH = -log(0,002) = 2,7

Hier ist die Konzentration der durch HCHO2 und die Autoionisierung von Wasser erzeugten Hydroniumionen vernachlässigbar und kann daher außer Acht gelassen werden.

Eine Mischung aus zwei schwachen Säuren mit unterschiedlichen Dissoziationskonstanten

In einer Mischung aus zwei schwachen Säuren wird der pH-Wert einer Mischung durch die stärkere Säure bestimmt, wenn ihre Dissoziationskonstante deutlich höher ist als die der schwächeren Säure. In einer Mischung mit einer gleichen Konzentration an salpetriger Säure (HNO2) und hypochloriger Säure (HClO) wird HNO2 beispielsweise der Hauptfaktor für den pH-Wert der Mischung sein, da sein Ka (4.6 × 10−4) ungefähr 10.000-fach höher ist als der Ka (2.9 × 10−8) von HClO. Nach dem Prinzip von Le Chatelier zeigt HClO in Gegenwart von HNO2 eine verringerte Dissoziation.

In einem Gemisch aus starker und schwacher Säure dissoziiert die starke Säure vollständig, wodurch die_H3O^+-Ionenkonzentration deutlich erhöht wird, während die schwache Säure nur teilweise dissoziiert.

Das Le Châtelier-Prinzip erklärt, dass die stärkere Säure die Dissoziation der schwächeren Säure unterdrückt, indem sie das Gleichgewicht zu den Reaktanten verschiebt.

Betrachten Sie eine Mischung aus 0,15 M HCl und 0,30 M HCN. Die starke Säure ergibt eine H₃O⁺ Konzentration von 0,15 M, wodurch die H₃O⁺ Konzentration aus der schwachen Säure vernachlässigbar ist.

Der pH-Wert in einem Säuregemisch wird also überwiegend durch die Konzentration der starken Säure bestimmt.

Wenn ein Gemisch aus zwei schwachen Säuren gleicher Menge vorhanden ist, ist die relativ stärkere Säure die primäre pH-Determinante.

In einem Gemisch aus HF und HCN ist beispielsweise HF die Hauptdeterminante für den pH-Wert des Gemisches, da es einen K_a von 3,5 × 10⁻⁴ hat, was fast eine Million Mal höher ist als der K_a von Blausäure.