Autoprotolyse von Wasser

Will man den Zustand der Natur untersuchen, so muss man ein vorhandenes natürliches Gleichgewicht geringfügig stören und Reaktion der Natur auf die Störung beobachten. Aus der Reaktion auf die Störung kann man auf die Veränderung des Gleichgewichts und im günstigen Fall auch auf das zu Grunde liegende Gleichgewicht schließen.

Bei der Untersuchung auf elektrische Leitfähigkeit stört man den elektrisch neutralen Zustand der Natur durch Erzeugung eines elektrischen Potentialunterschieds (Anlegen einer elektrischen Spannung). Untersucht man so die elektrischen Eigenschaften von Wasser mit Hilfe einer Widerstandsuntersuchung, so stellt man fest, dass Wasser ein sehr schlechter Leiter ist. 

Wasser hat die Formel H₂O. Es ist farblos, durchsichtig und leitet im festen und im flüssigen Zustand (fast) nicht. Es gehört demnach nicht zu den Metallen, die den Strom leiten, ohne sich dabei zu zersetzen (Leiter 1. Art). Es gehört aber auch nicht zu den Salzen, die sich den Strom in geschmolzenem Zustand leiten und sich dabei zersetzen. (Leiter 2. Art, Elektrolyte).

Durch Zugabe bestimmter Stoffe, wasserlöslichen Salzen, Säuren und Laugen sinkt der Widerstand von wässrigen Lösungen ab, die Leitfähigkeit nimmt zu. Die Stoffe, die den Widerstand einer wässrigen Lösung verringern, die Leitfähigkeit erhöhen, nennt man Leiter 2. Art, weil sich die Lösung beim Stromdurchgang chemisch zersetzt. Die elektrisch geladenen Teilchen der Lösung, die den Strom transportieren nennt man Ionen. 

Es gilt für alle Stoffe in der Natur die Elektroneutralitätsbedingung: Alle Stoffe sind im natürlichen Zustand elektrisch neutral, sie befinden sich auf gleichem elektrischen Potential. Da eine Lösung zu jedem Zeitpunkt, unabhängig von Stromdurchgang als Ganzes immer elektrisch neutral ist, kann man annehmen, das in einer Lösung die Summe der negativen Ladung immer gleich der Summe der positiven Ladungsträger (Ionen) ist. 

Obwohl es praktisch nicht leitet, führt eine Lösung von Salzen, Basen oder Säuren in Wasser zu einem deutlichen Anstieg der Leitfähigkeit. Offenbar bilden sich aus den genannten Stoffen mit Wasser neuer Verbindungen, die den Strom leiten und sich dabei durch die Lösung zu den Elektroden bewegen, wo sie dann ihre mitgeführte Ladung abgeben. Die beim Lösen in Wasser entstehenden geladenen elektrischen Teilchen nennt man Ionen, was in etwa "Wanderer" bedeutet.

Exakte Untersuchungen von extrem gereinigten Wasser zeigt jedoch eine sehr geringe Restleitfähigkeit, die sich durch weiteres Reinigen nicht entfernen lässt. 

Im Jahre 1894 befreiten Kohlrausch und Heydweiler Wasser von sämtlichen Verunreinigungen durch andere Stoffe, indem sie Wasser in einer sorgfältig gereinigten Quarzapparatur mehrfach unter Luftausschluss destillierten. Zuletzt destillierten sie Wasser noch in einer Platinapparatur. Das so gereinigte Wasser besitzt jedoch immer noch eine Restleitfähigkeit, die zudem noch mit steigender Temperatur zunimmt. Die Messwerte enthält die folgende Tabelle mit der Temperatur [°C], der spezifischen Leitfähigkeit  k [W ^-1*cm^-1] und dem spezifischen Widerstand r , wobei gilt:

 k = 1 /r 

Aus dieser Restleitfähigkeit schließt man, dass das Wasser selbst zu einem kleinen Teil in Ionen aufgespalten vorliegt. 

Daraus kann man schließen, dass sich Wasser in  Ionen zersetzt.

[1]       H₂O +  H₂O   [H₃O]⁺  +  [OH]^-

Diese vereinfachte Gleichung 

Wie groß die Stoffmengenkonzentration ist, lässt sich durch die Leitfähigkeitsbestimmung berechnen, wenn man die Wanderungsgeschwindigkeit der Hydronium-Ionen [H⁺] und der Hydroxid-Ionen [OH^-] kennt.

Die Stoffmengenkonzentration von [H₃O]⁺  von reinem Wasser ist wegen der Elektroneutralitätsbedingung gleich groß wie die des Anion [OH]^- . 

Der Einfachheit wegen verzichtet man auf die Mitführung des "Lösungswassers" und spricht von der Stoffmengenkonzentration der (H⁺)-Ionen. Sie beträgt 10^-7 mol/L

c(H⁺) = 10^-7 mol/L bei 20 °C.

Da die Stoffmengenkonzentrationen von Stoffen oftmals sehr klein sind und die Schreibweise als negativer dekadischer Logarithmus unbequem ist, hat man eine verkürzte Schreibweise eingeführt, es bedeutet p = -lg₁₀(Größe /Einheit). Damit, dass man für den Logarithmus eines Messwertes die Größe durch ihre zugehörige Einheit dividiert, erreicht man den Zahlenwert ohne Einheit, wie sie für Logarithmen benötigt werden (Größe=Zahlenwert*Einheit).

Damit schreibt man für die Stoffmengenkonzentration von neutralem Wasser bei 20°C p(c(H⁺)) = 7 oder noch kürzer 

pH= 7 . Ebenso muss pOH = 7 sein.

Säuren haben eine größere Stoffmengenkonzentration, ihr pH-Wert ist also kleiner als 7. In wässriger Lösung können sehr starke Säuren durchaus einen pH-Wert <-1 erreichen.

Den pH-Wert einer Lösung kann man bestimmen, indem man mit einer Lauge titriert, d.h. tropfenweise Lauge zu der zu untersuchenden Lösung hinzufügt. Den Stoffmengenkonzentration einer Lösung c(H⁺) kann man durch Zugabe von Farbindikatoren, durch Leitfähigkeitsmessung oder durch Potentialmessungen mit Hilfe einer pH-Elektrode bestimmen.

Wasser H₂O spaltet auf in  Protonen H⁺ und Hydroxid-Ionen (OH)^- 

Man schreibt:

H₂O   H⁺ + [OH]^- 

Die unterschiedlichen Pfeile der Reaktion sollen anzeigen, auf  welcher Seite das Gleichgewicht vorwiegend liegt.

Weil aber ein Proton nur ein positiv geladener Wasserstoff-Atomkern ganz ohne Hülle ist, der sich wegen seiner Kleinheit (Durchmesser 1/100000 des Wasserstoffatoms mit einem Elektron in der Hülle) und wegen seine positiven Ladung ganz eng an andere Atome annähert und mit von deren Elektronenhülle umgeben wird, schreibt man die Protonen in chemischen Gleichungen häufig nicht allein, sondern mit einem Molekül verbunden, das besonders polar ist. Bei Wasser ist es das Wassermolekül selbst.

Man schreibt daher besser:

H₂O  +  H⁺    [H₃O]⁺

und nennt das neue Ion [H₃O]⁺ Hydronium-Ion. 

Somit ist die übliche Schreibweise:

H₂O +  H₂O   [H₃O]⁺  + [OH]^1- 

Messungen haben ergeben, dass auch das nicht die Wirklichkeit auf molekularer Ebene beschreibt, man müsste besser ein [H(H₂O)₆]⁺ - Kation schreiben. Das wird aber nur dann geschrieben, wenn man wirklich eine naturwissenschaftliche Aussage machen möchte, bei der es darauf ankommt, die angenäherte Koordination eines Protons in Wasser anzugeben.

Es zeigt bei heute Geschmacksproben, dass die Konzentrationen der Hydronium-Ionen für den sauren Geschmack verantwortlich sind. Mit dem Wissen über die möglichen Gefahren von Chemikalien ist eine Geschmacksprobe jedoch nicht mehr möglich. Man misst heute den Hydronium-Ionen-Gehalt mit Säure-Basen-Indikatoren und gibt den Säure-Gehalt der Lösung als zahlenmäßig als pH-Wert an.

Es gilt bei 20°C: 

Zur Bedeutung des pH- und pOH-Wertes

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