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206 6.3 Wasseranalyse _________________________________________________________________________ Der pH-Wert wird üblicherweise als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoff-ionenkonzentration einer wäßrigen Lösung bezeichnet, was durch die Formel pH = − lg c + H zum Ausdruck gebracht wird. c (oder c(H + ) geschrieben) bedeutet dabei die Stoff- H + mengenkonzentration der H + -Ionen. Diese für den praktischen Gebrauch völlig ausrei- chende Definition geht von einer homogenen Lösung in unendlicher Verdünnung aus und von dem dort geltenden Massenwirkungsgesetz. Sowohl die natürlichen Wässer als auch die der meisten technischen Wasserkreisläufe stellen nur endlich verdünnte Lösungen dar. Mit Rücksicht darauf beschreibt die Formel mit pH = − lg a + =−lg c + ⋅ f HO HO HO 3 3 a - Hydroniumionen-Aktivität HO 3 + 3 + c + - HO 3 Hydroniumionen-Konzentration f + - HO 3 Aktivitätskoeffizient der wäßrigen Hydroniumlösung den Sachverhalt exakter. Die Ionenaktivität a(X) entspricht also dem Produkt aus einer Stoffmengenkonzentration c(X) und einem individuellen Aktivitätskoeffizienten f(X). Der Aktivitätskoeffizient ist stets kleiner als 1, weil in realen Lösungen immer ein Teil der gelös-ten Teilchen (Ionen) mit anderen Ionen in Wechselwirkung tritt und deshalb nicht zur Gleichgewichtseinstellung beitragen kann. Seine Ermittlung ist nur näherungsweise unter quasiidealen Bedingungen möglich. In der Praxis wird deshalb darauf verzichtet und mit der Stoffmengenkonzentration c(H 3 O + ) gearbeitet. Chemisch reines Wasser ist stets zu einem geringen Prozentsatz in Hydronium- und Hydro-xylionen dissoziiert: + − HO 2 ↔ H + OH HO 2 + + H ↔ + HO 3 ----------------------------------- 2⋅HO ↔ HO + OH 2 3 + − Das Hydroniumion entsteht durch Anlagerung eines Protons an ein freies Elektronenpaar des Wassermoleküls. Das Anlagerungsprodukt verfügt damit über eine positive Ladung. Der Dissoziationsprozeß ist abhängig von der Temperatur. Er wird durch das Massen- wirkungsgesetz beschrieben:
6.3 Wasseranalyse 207 _________________________________________________________________________ c + ⋅ c − HO 3 OH K = . c 2 H 2 O K wird die Dissoziationskonstante genannt. c(H 2 O) kann in verdünnter wäßriger Lösung als konstant betrachtet werden. Dann gilt: 2 H2O K⋅ c = K = c ⋅ c w + − HO 3 OH mit K w als dem Ionenprodukt des Wassers. Es ist temperaturabhängig und kann durch Leit-wertmessungen (Abschnitt 6.3.4.5) bestimmt werden (Tabelle 6.3-7). Tabelle 6.3-7: Ionenprodukt des Wassers als Funktion der Temperatur ϑ Kw 0 °C 0,1139 . 10 -14 22 °C 1 . 10 -14 60 °C 1,9614 . 10 -14 Die Konzentration der Hydroniumionen muß entsprechend ihres Entstehungsprozesses gleich der der Hydroxylionen sein. Für eine Temperatur von 22 °C gilt: c = c = K = + − HO OH w 3 − 10 7 . Diese Konzentrationsangabe bedeutet, daß in 1 Liter chemisch reinem Wasser bei 22 °C 10 -7 Grammionen Hydroniumionen vorhanden sind. Chemisch reines Wasser besitzt also einen pH-Wert von 7 und ist neutral. pH-Werte unter 7 kennzeichnen den sauren Charakter einer Lösung, solche über 7 kennzeichnen den basischen Charakter einer Lösung. Der pH-Wert ist ein Qualitätsparameter des Wassers. Er ist ein Maß für den sauren oder basischen Charakter einer wäßrigen Lösung. Seine Bedeutung für die Wasserbeschaffenheit liegt darin, daß er die Gleichgewichtskonzentrationen vieler chemischer Verbindungen im Wasser beeinflußt und so auch Einfluß auf das biologische Geschehen im Wasser nimmt. Seine Bestimmung darf bei keiner Wasseranalyse fehlen, unabhängig davon ob es sich um Trink-, Bade-, Betriebs- oder Abwasser handelt. Bei natürlichen Wässern bestimmt er zusammen mit der Karbonathärte, dem im Wasser enthaltenen freien Sauerstoff und der freien Kohlensäure die Aggressivität des Wassers. Sein Wert entscheidet mit über die Korrosion von Werkstoffen und die Wirksamkeit von Aufbereitungs- und Desinfektionsmitteln für die Trinkwasseraufbereitung. Die Einhaltung bzw. Einstellung eines bestimmten pH-Wertes ist wichtig für die Keim- tötungskinetik bei der Schwimmbadwasseraufbereitung und für Entgiftungsreaktionen bei der Abwasserbehandlung. Bei der biologischen Abwasserreinigung stellt der pH-Wert eine der Milieubedingungen für den Baustoffwechsel der Mikroorganismen dar.
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