Autoprotolyse von Wasser

Misst Du die Leitfähigkeit von absolut reinem Wasser, so erhältst Du einen Wert von $55\cdot10^-9 \,\frac{1}{\Omega\cdot cm}$ . Dies ist keine besonders hohe Leitfähigkeit, jedoch zeigt dies, dass eine geringe Anzahl an Ionen für die Leitung von elektrischem Strom vorhanden sein müssen.

Wie Wassermoleküle miteinander reagieren

Wassermoleküle sind amphoter. Dies bedeutet, dass sie sowohl als Base als auch als Säure reagieren können. Ein Wassermolekül kann also ein Proton abgeben oder aufnehmen. Wassermoleküle können also miteinander reagieren, dies wird Autoprotolyse genannt.

$2\,H_2O \leftrightharpoons H_3O^+ + OH^-$

Ionenprodukt des Wassers

Für die Gleichgewichtskonstante der Autoprotolyse gilt:

$K_c = \frac{c(H_3O^+)\cdot c(OH^-)}{c^2(H_2O)}$

Bei gegebener Temperatur sind alle Konzentrationen konstant. Sie betragen bei 25 °C:

$c(H_2O)=55,3\, \frac{mol}{l} \\c(H_3O^+)=c(OH^-) = 10^{-7}\, \frac{mol}{l} \\$

In verdünnten Lösungen kannst Du die Konzentration des Wassers wegen des Überschusses an Wassermolekülen als konstant betrachten. Die Umformung des Massenwirkungsgesetzes ergibt das Ionenprodukt des Wassers (bei 25 °C) mit $K_W$ als Konstante:

$K_W = K_c \cdot c(H_2O)^2 = c(H_3O^+)\cdot c(OH^-)=10^{-14} \frac{mol^2}{l^2}$

Weitere amphotere, der Autoprotolyse unterliegende Verbindungen sind zum Beispiel Eisessig (wasserfreie Essigsäure), flüssiges Ammoniak oder konzentrierte wasserfreie anorganische Säuren, wie Salpetersäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure.

Das Ionenprodukt des Wassers spielt bei verdünnten sauren und basischen Lösungen eine grosse Rolle. Die Dissoziation einer Säure oder Base in Wasser verändert die Konzentrationensverhältnisse von Hydroxid- und Hydroxoniumionen, der Wert des Ionenproduktes ändert sich aber nicht.

Der pH-Wert ist definiert als $-log(c(H_3O^+))$ und ist, wie Du hier sehen kannst, von reinem Wasser also 7. Deshalb gilt ein pH-Wert von 7 als neutral. In einer neutralen wässrigen Lösung kommen gleich viele Hydroxid- und Hydroxoniumionen vor - wie bei reinem Wasser.