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Chemie · Klasse 13 · Kapitel

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Säure-Base-Reaktionen: Protolyse, pH-Wert und Titration

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1Ich beschreibe Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted als Protonenübergang und finde korrespondierende Säure-Base-Paare.

MerkenProtolyse

Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt es auf.

Beide bilden ein korrespondierendes Paar, die Reaktion ist umkehrbar.

BeispielProtolyse: Protonenübergang und korrespondierende Paare

In der Protolyse NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat NH₃?
Schritt für Schritt
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. NH₃ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. NH₃ gewinnt ein Proton: Base.
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. NH₃ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. NH₃ gewinnt ein Proton: Base.
Ergebnis:
Base, es nimmt ein Proton auf

AchtungProtonendonator und Protonenakzeptor vertauscht

So nicht
Das Teilchen, das ein Proton aufnimmt, ist die Säure.
So richtig
Die Säure gibt ein Proton ab (Donator), die Base nimmt es auf (Akzeptor).

Zeichne einen Pfeil für das Proton und markiere seinen Start und sein Ziel.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    In der Protolyse HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HSO₄⁻?
    So fängst du an:
    Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. HSO₄⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HSO₄⁻ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Protolyse NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. OH⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. OH⁻ gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  3. ★3
    Ammoniak reagiert mit Wasser nur zu einem kleinen Teil zu Ammonium- und Hydroxid-Ionen. Wie lässt sich das erklären?
    Lösung zeigen
    1. Ammoniak nimmt Protonen von Wasser auf.
    2. Ammonium-Ionen geben Protonen an Hydroxid-Ionen zurück.
    3. Im Gleichgewicht sind beide Geschwindigkeiten gleich.
    Ergebnis:
    Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein

2Ich leite aus dem Bau eines Teilchens ab, ob es als Säure, als Base oder amphoter wirkt.

MerkenBau und Funktion

Eine Säure hat ein polar gebundenes Wasserstoffatom, eine Base ein freies Elektronenpaar.

Ampholyte haben beides.

BeispielBau von Säure- und Base-Teilchen, Ampholyte

Das Teilchen CH₃COO⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
Schritt für Schritt
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
Ergebnis:
Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

AchtungNur ein Strukturmerkmal beachtet

So nicht
NH₄⁺ besitzt ein Wasserstoffatom und ist deshalb ein Ampholyt.
So richtig
Ein Ampholyt braucht beides: ein abspaltbares Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar.

Prüfe beide Merkmale nacheinander und schreibe zu jedem ja oder nein.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Das Teilchen H₂O besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    So fängst du an:
    Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  2. ●5
    Das Teilchen NH₄⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: nein.
    3. Nur das erste Merkmal: Säure.
    Ergebnis:
    Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  3. ★6
    Warum reagiert eine Lösung von Hydrogencarbonat-Ionen HCO₃⁻ schwach basisch, obwohl das Ion auch ein Proton abgeben kann?
    Lösung zeigen
    1. HCO₃⁻ ist ein Ampholyt.
    2. Als Säure ist es sehr schwach (pKs = 10,3), als Base stärker (pKB = 7,7).
    3. Die Basenwirkung überwiegt, die Lösung ist schwach basisch.
    Ergebnis:
    Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe

3Ich weise Chlorid-, Bromid-, Carbonat-, Hydroxid-, Oxonium- und Ammonium-Ionen nach.

MerkenNachweise

Silbernitrat fällt Chlorid weiß und Bromid gelblich.

Carbonat gibt mit Säure Gas, Ammonium mit Lauge Ammoniak.

BeispielNachweisreaktionen für Ionen

Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Hydroxid-Ionen?
Schritt für Schritt
  1. Zuerst wird das Reagenz für Hydroxid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett.
  1. Zuerst wird das Reagenz für Hydroxid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett.
Ergebnis:
Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett

AchtungBase nur als Stoff mit Hydroxid-Ionen verstanden

So nicht
Ammoniak ist keine Base, weil es keine Hydroxidgruppe enthält.
So richtig
Eine Base ist ein Protonenakzeptor. Ammoniak nimmt ein Proton auf und ist deshalb eine Base.

Frag dich: An welchem Atom des Teilchens sitzt ein freies Elektronenpaar, an das sich ein Proton binden kann?

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot.
    So fängst du an:
    Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Oxonium-Ionen.
    Ergebnis:
    Oxonium-Ionen
  2. ●8
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Beim Ansäuern sprudelt es, und das Gas lässt Kalkwasser milchig werden.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
    Ergebnis:
    Carbonat-Ionen
  3. ★9
    Eine Probe enthält Chlorid- und Carbonat-Ionen. Wie lässt sich Chlorid sicher nachweisen?
    Lösung zeigen
    1. Carbonat stört, weil Silbercarbonat ebenfalls weiß ist.
    2. Salpetersäure entfernt das Carbonat als Gas.
    3. Danach fällt nur noch Silberchlorid aus.
    Ergebnis:
    Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben

4Ich wende das Massenwirkungsgesetz auf Protolysen an und deute Säurekonstante und pKs-Wert.

MerkenSäurekonstante

Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA), Wasser steht nicht im Bruch.

Je kleiner pKs, desto stärker die Säure.

BeispielMassenwirkungsgesetz, Säurekonstante und pKs-Wert

Für das Ammonium-Ion gilt pKs = 9,25. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
Schritt für Schritt
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 9,25.
  3. Ks = 5,6 · 10⁻¹⁰ mol/L
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 9,25.
  3. Ks = 5,6 · 10⁻¹⁰ mol/L
Ergebnis:
5,6 · 10⁻¹⁰ mol/L

AchtungKs, pKs und pKB falsch umgerechnet

So nicht
Aus Ks = 10⁻⁴ mol/L folgt pKs = 10.
So richtig
pKs = −lg Ks, also pKs = 4. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.

Schreib die Definition pKs = −lg Ks auf und setze Ks mit Einheit ein.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Für Flusssäure gilt pKs = 3,14. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    So fängst du an:
    Ks = 10 hoch minus pKs.
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 3,14.
    3. Ks = 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    7,2 · 10⁻⁴ mol/L
  2. ●11
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CH₃COO⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt CH₃COOH.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CH₃COO⁻) : c(CH₃COOH)
  3. ★12
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CO₃²⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HCO₃⁻.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)

5Ich leite das Ionenprodukt des Wassers her und berechne den pH-Wert starker Säuren.

MerkenpH-Wert

pH = −lg c(H₃O⁺). Eine pH-Stufe ist der Faktor 10. Bei 25 Grad Celsius gilt Kw = 10⁻¹⁴.

BeispielIonenprodukt des Wassers und pH-Wert starker Säuren

Natronlauge hat die Konzentration c(NaOH) = 0,001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. c(OH⁻) = 1 · 0,001 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 11,00
  1. c(OH⁻) = 1 · 0,001 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 11,00
Ergebnis:
11,00

AchtungpH und pOH vertauscht oder falsch verrechnet

So nicht
Natronlauge mit c = 0,001 mol/L hat pH 3.
So richtig
pOH = 3, also pH = 14 − 3 = 11.

Prüfe, ob die Lösung sauer oder basisch ist, und schätze danach den pH-Wert über oder unter 7.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Lösung A hat den pH-Wert 4, Lösung B den pH-Wert 6. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    So fängst du an:
    Unterschied der pH-Werte: 2.
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 2.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 2 = 100
    Ergebnis:
    100
  2. ●14
    Lösung A hat den pH-Wert 2, Lösung B den pH-Wert 5. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 3.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
    Ergebnis:
    1000
  3. ★15
    Eine Salzsäure mit pH = 3 wird auf das Hundertfache verdünnt. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert danach?
    Lösung zeigen
    1. Hundertfach verdünnt heißt: zwei Zehnerpotenzen.
    2. c(H₃O⁺) sinkt von 10⁻³ mol/L auf 10⁻⁵ mol/L.
    3. pH = 5
    Ergebnis:
    5

6Ich bestimme mit einer Säure-Base-Titration die Konzentration einer Säure oder Lauge.

MerkenTitration

Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₃O⁺) = n(OH⁻).

Daraus folgt c(Säure) = c(Lauge) · V(Lauge) : V(Säure).

BeispielSäure-Base-Titration

10,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 8,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 L = 0,080 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 L = 0,080 mol/L
Ergebnis:
0,080 mol/L

AchtungVolumen oder Stoffmengenverhältnis in der Titration falsch verrechnet

So nicht
10 mL Schwefelsäure verbrauchen 20 mL Natronlauge gleicher Stärke, also gilt 1 : 1.
So richtig
Am Äquivalenzpunkt gilt n(Säure) mal Zahl der Protonen gleich n(Lauge). Erst Stoffmengen vergleichen, dann durch das Volumen teilen.

Schreib die Reaktionsgleichung auf und lies das Stoffmengenverhältnis ab.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    25,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 20,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0200 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0200 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0250 L = 0,080 mol/L
    Ergebnis:
    0,080 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 10,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,050 mol/L · 0,0100 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 L = 0,10 mol/L
    Ergebnis:
    0,10 mol/L
  3. ★18
    Zur Neutralisation von 10,0 mL Schwefelsäure werden 20,0 mL Natronlauge mit c = 0,10 mol/L verbraucht. Schwefelsäure gibt je Molekül zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0200 L = 0,00200 mol.
    2. H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O, also n(H₂SO₄) = ½ · n(NaOH) = 0,00100 mol.
    3. c(H₂SO₄) = 0,00100 mol : 0,0100 L = 0,10 mol/L
    Ergebnis:
    0,10 mol/L

7Ich berechne pOH-Wert, pKB-Wert und den pH-Wert schwacher Säuren und Basen (Leistungskurs).

MerkenSchwache Säuren und Basen

Es gilt pH + pOH = 14. Für schwache Säuren gilt die Näherung pH = ½ · (pKs − lg c₀).

BeispielpOH, pKB und pH-Wert schwacher Säuren und Basen

Eine Lösung der Propansäure (pKs = 4,87) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,02 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (4,87 − lg 0,02) = ½ · (4,87 + 1,70).
  3. pH ≈ 3,3
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (4,87 − lg 0,02) = ½ · (4,87 + 1,70).
  3. pH ≈ 3,3
Ergebnis:
3,3

AchtungSchwache Säure wie eine starke gerechnet

So nicht
Essigsäure mit 0,1 mol/L hat pH 1, weil pH = −lg 0,1.
So richtig
Essigsäure protolysiert nur zu einem kleinen Teil: pH = ½ · (4,76 − lg 0,1) = 2,88.

Vergleiche gemessene pH-Werte von Essigsäure und Salzsäure gleicher Konzentration.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Eine Lösung der Essigsäure (pKs = 4,76) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,005 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    So fängst du an:
    Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    Lösung zeigen
    1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    2. pH = ½ · (4,76 − lg 0,005) = ½ · (4,76 + 2,30).
    3. pH ≈ 3,5
    Ergebnis:
    3,5
  2. ●20
    Eine Lösung der Flusssäure (pKs = 3,14) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,2 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    2. pH = ½ · (3,14 − lg 0,2) = ½ · (3,14 + 0,70).
    3. pH ≈ 1,9
    Ergebnis:
    1,9
  3. ★21
    Eine Ammoniaklösung mit c₀ = 0,10 mol/L hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert nach der Näherung für schwache Basen (eine Nachkommastelle)?
    Lösung zeigen
    1. Näherung: pOH = ½ · (pKB − lg c₀) = ½ · (4,75 + 1,00) = 2,875.
    2. pH = 14 − pOH.
    3. pH = 14 − 2,875 ≈ 11,1
    Ergebnis:
    11,1

8Ich deute Titrationskurven und erkläre Puffersysteme (Leistungskurs).

MerkenKurve und Puffer

Am Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs.

Ein Puffer aus schwacher Säure und ihrer Base fängt Säure und Lauge ab.

BeispielTitrationskurven und Puffersysteme

Ameisensäure (pKs = 3,75) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
Schritt für Schritt
  1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
  2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
  3. pH = pKs = 3,75
  1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
  2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
  3. pH = pKs = 3,75
Ergebnis:
3,75

AchtungPuffer aus dem falschen Paar zusammengesetzt

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → HClO₄ und ClO₄⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → H₂CO₃ und HCO₃⁻

Prüfe, ob die Säure schwach ist und ob die Base genau zu ihr gehört.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    So fängst du an:
    Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
    Lösung zeigen
    1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
    2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    3. H₂CO₃ und HCO₃⁻
    Ergebnis:
    H₂CO₃ und HCO₃⁻
  2. ●23
    Das Ammonium-Ion (pKs = 9,25) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
    2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
    3. pH = pKs = 9,25
    Ergebnis:
    9,25
  3. ★24
    Ein Puffer enthält Essigsäure und Acetat im Stoffmengenverhältnis 1 : 1. Auf welchen Wert stellt sich der pH-Wert ein?
    Lösung zeigen
    1. Bei c(HA) = c(A⁻) kürzt sich der Bruch im Ks-Ausdruck.
    2. Es bleibt c(H₃O⁺) = Ks.
    3. Also gilt pH = pKs = 4,76.
    Ergebnis:
    Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8

9Ich erkläre mehrstufige Protolyse, den induktiven Effekt und den pH-Wert von Salzlösungen (Leistungskurs).

MerkenStufen, Substituenten, Salze

Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

Hydratisierte Metall-Ionen sind Säuren, Anionen schwacher Säuren Basen.

BeispielMehrstufige Protolyse, induktiver Effekt und Salzlösungen

Phosphorsäure protolysiert in drei Stufen mit den pKs-Werten 2,2, 7,2 und 12,3. Warum werden die Stufen immer schwächer?
Schritt für Schritt
  1. Die erste Stufe gibt das Proton aus einem neutralen Molekül ab.
  2. Die späteren Stufen geben es aus Anionen ab.
  3. Das negativ geladene Teilchen hält das Proton fester.
  1. Die erste Stufe gibt das Proton aus einem neutralen Molekül ab.
  2. Die späteren Stufen geben es aus Anionen ab.
  3. Das negativ geladene Teilchen hält das Proton fester.
Ergebnis:
Ein Proton lässt sich aus einem negativen Teilchen schwerer abspalten

AchtungStärke der Protolysestufen falsch begründet

So nicht
Die zweite Stufe der Phosphorsäure ist so stark wie die erste.
So richtig
Mit jeder Stufe steigt der pKs-Wert: Das Proton muss aus einem stärker negativ geladenen Teilchen abgegeben werden.

Lies die pKs-Werte der drei Stufen der Phosphorsäure ab und ordne sie.

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Ammoniumnitrat (NH₄NO₃)?
    So fängst du an:
    Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Das Ammonium-Ion ist eine Säure und gibt Protonen ab, das Nitrat-Ion reagiert nicht.
    3. Also: sauer.
    Ergebnis:
    Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  2. ●26
    Phosphorsäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 2,16, 7,21, 12,32. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    Lösung zeigen
    1. Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    2. Der pKs-Wert wächst von Stufe zu Stufe.
    3. Die erste Stufe hat den kleinsten Wert: 2,16.
    Ergebnis:
    2,16
  3. ★27
    Warum reagiert eine Lösung von Aluminiumchlorid sauer?
    Lösung zeigen
    1. Al³⁺ ist von sechs Wassermolekülen umgeben.
    2. Die positive Ladung zieht Elektronen aus den Wassermolekülen.
    3. Daher gibt der Aquakomplex Protonen ab: sauer.
    Ergebnis:
    Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●28
    Welches Teilchen bildet mit dem Ammonium-Ion NH₄⁺ ein korrespondierendes Säure-Base-Paar?
    Lösung zeigen
    1. Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
    2. NH₄⁺ gibt ein Proton ab.
    3. Es bleibt NH₃.
    Ergebnis:
    NH₃, das Ammoniak
  2. ●29
    Das Teilchen HSO₃⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  3. ●30
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Chlorid-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst
  4. ●31
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HCN + H₂O ⇌ CN⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CN⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HCN.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CN⁻) : c(HCN)
  5. ●32
    Lösung A hat den pH-Wert 1, Lösung B den pH-Wert 5. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 4.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 4 = 10.000
    Ergebnis:
    10.000
  6. ●33
    25,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 31,3 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,20 mol/L · 0,0313 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0250 L = 0,25 mol/L
    Ergebnis:
    0,25 mol/L

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Protolyse
Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt es auf.
Bau und Funktion
Eine Säure hat ein polar gebundenes Wasserstoffatom, eine Base ein freies Elektronenpaar.
Nachweise
Silbernitrat fällt Chlorid weiß und Bromid gelblich.
Säurekonstante
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA), Wasser steht nicht im Bruch.
pH-Wert
pH = −lg c(H₃O⁺). Eine pH-Stufe ist der Faktor 10. Bei 25 Grad Celsius gilt Kw = 10⁻¹⁴.
Titration
Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₃O⁺) = n(OH⁻).
Schwache Säuren und Basen
Es gilt pH + pOH = 14. Für schwache Säuren gilt die Näherung pH = ½ · (pKs − lg c₀).
Kurve und Puffer
Am Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs.
Stufen, Substituenten, Salze
Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich beschreibe Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted als Protonenübergang und finde korrespondierende Säure-Base-Paare.

    34
    In der Protolyse HPO₄²⁻ + H₃O⁺ → H₂PO₄⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HPO₄²⁻?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf

  2. Ich leite aus dem Bau eines Teilchens ab, ob es als Säure, als Base oder amphoter wirkt.

    35
    Das Teilchen H₂PO₄⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen

  3. Ich weise Chlorid-, Bromid-, Carbonat-, Hydroxid-, Oxonium- und Ammonium-Ionen nach.

    36
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chlorid-Ionen

  4. Ich wende das Massenwirkungsgesetz auf Protolysen an und deute Säurekonstante und pKs-Wert.

    37
    Für Flusssäure gilt pKs = 3,14. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    7,2 · 10⁻⁴ mol/L

  5. Ich leite das Ionenprodukt des Wassers her und berechne den pH-Wert starker Säuren.

    38
    Salpetersäure hat die Konzentration c(HNO₃) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,00

  6. Ich bestimme mit einer Säure-Base-Titration die Konzentration einer Säure oder Lauge.

    39
    25,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 25,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,10 mol/L

  7. Ich berechne pOH-Wert, pKB-Wert und den pH-Wert schwacher Säuren und Basen (Leistungskurs).

    40
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 13,1. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,9

  8. Ich deute Titrationskurven und erkläre Puffersysteme (Leistungskurs).

    41
    Eine schwache Säure wird mit Natronlauge titriert. Was gilt am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Es gilt pH = pKs, weil c(HA) = c(A⁻) ist

  9. Ich erkläre mehrstufige Protolyse, den induktiven Effekt und den pH-Wert von Salzlösungen (Leistungskurs).

    42
    Schweflige Säure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 1,81, 7,21. Bestimme: Welcher Wert gehört zur letzten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    7,21

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Bruch
ein Teil von einem Ganzen, als Zahl geschrieben
Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. Säure, es gibt ein Proton ab
  2. Base, es nimmt ein Proton auf
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  5. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Oxonium-Ionen
  8. Carbonat-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(CH₃COO⁻) : c(CH₃COOH)
  12. Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)
  13. 100
  14. 1000
  15. 5
  16. 0,080 mol/L
  17. 0,10 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 3,5
  20. 1,9
  21. 11,1
  22. H₂CO₃ und HCO₃⁻
  23. 9,25
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  26. 2,16
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. NH₃, das Ammoniak
  29. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  30. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst
  31. Ks = c(H₃O⁺) · c(CN⁻) : c(HCN)
  32. 10.000
  33. 0,25 mol/L
  34. Base, es nimmt ein Proton auf
  35. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  36. Chlorid-Ionen
  37. 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
  38. 2,00
  39. 0,10 mol/L
  40. 0,9
  41. Es gilt pH = pKs, weil c(HA) = c(A⁻) ist
  42. 7,21