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Chemie · Klasse 13 · Kapitel

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

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○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

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 H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
Schritt für Schritt
  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.
  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

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 NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
    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. OH⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. OH⁻ gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  2. ●2
    In der Protolyse H₂S + OH⁻ → HS⁻ + 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 H₂PO₄⁻ besitzt ein 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: ja.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Beides vorhanden: Ampholyt.
  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

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 S²⁻ besitzt kein 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: nein.
    Lösung zeigen
    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
  2. ●5
    Das Teilchen HPO₄²⁻ 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. ★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 Chlorid-Ionen?
Schritt für Schritt
  1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist.
  1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist.
Ergebnis:
Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist

AchtungReagenz und Probe verwechselt

So nicht
Salzsäure zugeben und im Ergebnis Chlorid nachweisen.
So richtig
Das Reagenz bringt eigene Ionen mit. Wer Chlorid nachweisen will, setzt kein Chlorid zu.

Nenne zu jeder Beobachtung, ob das Ion aus der Probe oder aus dem Reagenz stammt.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Oxonium-Ionen?
    So fängst du an:
    Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot.
    Ergebnis:
    Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot
  2. ●8
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Bromid-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Bromid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus
  3. ★9
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Natronlauge entweicht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Ammonium-Ionen.
    Ergebnis:
    Ammonium-Ionen

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

Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HPO₄²⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt H₂PO₄⁻.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HPO₄²⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt H₂PO₄⁻.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
Ergebnis:
Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)

AchtungWasser steht im Ausdruck der Säurekonstante

So nicht
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : (c(HA) · c(H₂O))
So richtig
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA). Die Konzentration von Wasser ist praktisch konstant und steckt schon in Ks.

Setze das Lösungsmittel Wasser nicht in den Bruch und schreibe dann den Ausdruck für Ks.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Eine Säure hat die Säurekonstante Ks = 1,0 · 10⁻⁴ mol/L. Bestimme: Wie groß ist ihr pKs-Wert?
    So fängst du an:
    pKs = −lg Ks.
    Lösung zeigen
    1. pKs = −lg Ks.
    2. lg (1,0 · 10⁻⁴) = −4.
    3. pKs = 4
    Ergebnis:
    4
  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
    Eine Essigsäurelösung wird bei gleicher Temperatur auf das Zehnfache verdünnt. Wie ändert sich der Wert der Säurekonstante Ks?
    Lösung zeigen
    1. Ks hängt nur von der Temperatur ab.
    2. Beim Verdünnen sinken alle Konzentrationen.
    3. Das Gleichgewicht verschiebt sich zur Seite der Ionen, Ks bleibt gleich.
    Ergebnis:
    Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst

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

Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
  2. pH = −lg 0,002.
  3. pH = 2,70
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
  2. pH = −lg 0,002.
  3. pH = 2,70
Ergebnis:
2,70

AchtungpH-Wert ohne Logarithmus bestimmt

So nicht
c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L, also pH = 0,01.
So richtig
pH = −lg 0,01 = 2.

Schreib c(H₃O⁺) als Zehnerpotenz und lies den Exponenten ohne Minuszeichen ab.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    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?
    So fängst du an:
    Unterschied der pH-Werte: 3.
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 3.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
    Ergebnis:
    1000
  2. ●14
    Kalkwasser hat die Konzentration c(Ca(OH)₂) = 0,005 mol/L und protolysiert vollständig; jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 2 · 0,005 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 12,00
    Ergebnis:
    12,00
  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

20,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 200,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,2000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0200 L = 0,25 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,2000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0200 L = 0,25 mol/L
Ergebnis:
0,25 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
    20,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 80,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    So fängst du an:
    n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0800 L.
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0800 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0200 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 mol/L
  2. ●17
    25,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 60,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0600 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  3. ★18
    10,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 5,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 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 Milchsäure (pKs = 3,86) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,5 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 · (3,86 − lg 0,5) = ½ · (3,86 + 0,30).
  3. pH ≈ 2,1
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,86 − lg 0,5) = ½ · (3,86 + 0,30).
  3. pH ≈ 2,1
Ergebnis:
2,1

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 hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 2,5. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    So fängst du an:
    Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 2,5.
    3. pOH = 11,5
    Ergebnis:
    11,5
  2. ●20
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 9,7. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 9,7.
    3. pOH = 4,3
    Ergebnis:
    4,3
  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

Blausäure (pKs = 9,21) 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 = 9,21
  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 = 9,21
Ergebnis:
9,21

AchtungÄquivalenzpunkt gleich pH 7 für jede Titration

So nicht
Am Äquivalenzpunkt ist der pH-Wert immer 7.
So richtig
Nur bei starker Säure und starker Base liegt der Äquivalenzpunkt bei pH 7. Bei Essigsäure und Natronlauge liegt er im Basischen.

Nenne das Salz am Äquivalenzpunkt und prüfe, ob eines seiner Ionen mit Wasser reagiert.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Zu einem Acetat-Puffer aus Essigsäure und Natriumacetat wird eine kleine Menge Salzsäure gegeben. Was geschieht?
    So fängst du an:
    Zugegebene Oxonium-Ionen treffen auf Acetat-Ionen.
    Lösung zeigen
    1. Zugegebene Oxonium-Ionen treffen auf Acetat-Ionen.
    2. CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O.
    3. Aus der Base wird die schwache Säure, der pH-Wert bleibt fast gleich.
    Ergebnis:
    Acetat-Ionen nehmen die Oxonium-Ionen auf, der pH-Wert ändert sich kaum
  2. ●23
    Essigsäure (pKs = 4,76) 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 = 4,76
    Ergebnis:
    4,76
  3. ★24
    Benzoesäure (pKs = 4,20) 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 = 4,20
    Ergebnis:
    4,20

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

Wie reagiert eine wässrige Lösung von Zinkchlorid (ZnCl₂)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das hydratisierte Zink-Ion gibt schwach Protonen an Wasser ab, das Chlorid-Ion reagiert nicht.
  3. Also: sauer.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das hydratisierte Zink-Ion gibt schwach Protonen an Wasser ab, das Chlorid-Ion reagiert nicht.
  3. Also: sauer.
Ergebnis:
Sauer, das Kation gibt Protonen ab

AchtungFalsches Ion für die Reaktion mit Wasser verantwortlich gemacht

So nicht
Natrium-Ionen reagieren mit Wasser und machen die Lösung basisch.
So richtig
Natrium-Ionen reagieren nicht mit Wasser. Das Acetat-Ion nimmt Protonen auf und macht die Lösung basisch.

Frag dich bei jedem Ion: Stammt es aus einer starken oder aus einer schwachen Säure oder Base?

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Eine Natriumacetat-Lösung reagiert schwach basisch. Welche Reaktion ist dafür verantwortlich?
    So fängst du an:
    Das Acetat-Ion ist die Base der schwachen Essigsäure.
    Lösung zeigen
    1. Das Acetat-Ion ist die Base der schwachen Essigsäure.
    2. Es nimmt ein Proton aus Wasser auf.
    3. Dabei bleibt ein Hydroxid-Ion übrig.
    Ergebnis:
    CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
  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
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃)?
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab, das Sulfat-Ion reagiert kaum.
    3. Also: sauer.
    Ergebnis:
    Sauer, das Kation gibt Protonen ab

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●28
    In der Protolyse HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HCO₃⁻?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. HCO₃⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HCO₃⁻ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●29
    Warum ist Ammoniak eine Base, obwohl das Molekül keine Hydroxidgruppe enthält?
    Lösung zeigen
    1. Eine Base ist ein Protonenakzeptor.
    2. Dafür braucht sie ein freies Elektronenpaar.
    3. Das Stickstoffatom im Ammoniak hat eines.
    Ergebnis:
    Das Stickstoffatom hat ein freies Elektronenpaar und nimmt ein Proton auf
  3. ●30
    Für Blausäure gilt pKs = 9,21. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 9,21.
    3. Ks = 6,2 · 10⁻¹⁰ mol/L
    Ergebnis:
    6,2 · 10⁻¹⁰ mol/L
  4. ●31
    Lösung A hat den pH-Wert 6, Lösung B den pH-Wert 8. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 2.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 2 = 100
    Ergebnis:
    100
  5. ●32
    25,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 15,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,20 mol/L · 0,0150 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0250 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  6. ●33
    Warum hat eine Essigsäure mit c = 0,1 mol/L einen höheren pH-Wert als eine Salzsäure gleicher Konzentration?
    Lösung zeigen
    1. Essigsäure ist eine schwache Säure.
    2. Essigsäure protolysiert nur zu einem kleinen Teil.
    3. Daher entstehen weniger Oxonium-Ionen und der pH-Wert ist höher.
    Ergebnis:
    Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab

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 H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂PO₄⁻?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab

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

    35
    Das Teilchen F⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

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

    36
    Eine Probe sprudelt beim Zutropfen von verdünnter Salzsäure, und das Gas trübt Kalkwasser. Welches Ion enthält die Probe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Carbonat-Ionen

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

    37
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HClO + H₂O ⇌ ClO⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(ClO⁻) : c(HClO)

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

    38
    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
    Ergebnis:
    1000

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

    39
    20,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 16,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,080 mol/L

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

    40
    Eine Lösung der Milchsäure (pKs = 3,86) 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
    Ergebnis:
    2,3

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

    41
    Benzoesäure (pKs = 4,20) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,20

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

    42
    Kohlensäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 6,35, 10,33. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    6,35

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. Base, es nimmt ein Proton auf
  2. Base, es nimmt ein Proton auf
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  5. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot
  8. Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus
  9. Ammonium-Ionen
  10. 4
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(CH₃COO⁻) : c(CH₃COOH)
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 1000
  14. 12,00
  15. 5
  16. 0,20 mol/L
  17. 0,12 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 11,5
  20. 4,3
  21. 11,1
  22. Acetat-Ionen nehmen die Oxonium-Ionen auf, der pH-Wert ändert sich kaum
  23. 4,76
  24. 4,20
  25. CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
  26. 2,16
  27. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Das Stickstoffatom hat ein freies Elektronenpaar und nimmt ein Proton auf
  30. 6,2 · 10⁻¹⁰ mol/L
  31. 100
  32. 0,12 mol/L
  33. Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  34. Säure, es gibt ein Proton ab
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Carbonat-Ionen
  37. Ks = c(H₃O⁺) · c(ClO⁻) : c(HClO)
  38. 1000
  39. 0,080 mol/L
  40. 2,3
  41. 4,20
  42. 6,35