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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 NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat NH₄⁺?
    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. NH₄⁺ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. NH₄⁺ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Reaktion CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei korrespondierende Paare. Welche sind es?
    Lösung zeigen
    1. Ein Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    2. CH₃COOH gibt es ab und wird zu CH₃COO⁻.
    3. H₂O nimmt es auf und wird zu H₃O⁺.
    Ergebnis:
    CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  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 C₆H₅NH₃⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein 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: nein.
  3. Nur das erste Merkmal: Säure.
  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

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 F⁻ 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
    Welches Strukturmerkmal macht ein Teilchen zum Protonendonator?
    Lösung zeigen
    1. Ein Donator gibt ein Proton ab.
    2. Dafür muss ein Wasserstoffatom vorhanden sein.
    3. Es ist so polar gebunden, dass es sich als Proton löst.
    Ergebnis:
    Ein polar gebundenes Wasserstoffatom
  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 Oxonium-Ionen?
Schritt für Schritt
  1. Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot.
  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

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 Bromid-Ionen?
    So fängst du an:
    Zuerst wird das Reagenz für Bromid-Ionen gesucht.
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Bromid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Silbernitratlösung entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst
  2. ●8
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Hydroxid-Ionen?
    Lösung zeigen
    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
  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 Milchsäure gilt pKs = 3,86. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
Schritt für Schritt
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 3,86.
  3. Ks = 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 3,86.
  3. Ks = 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
Ergebnis:
1,4 · 10⁻⁴ 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
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺?
    So fängst du an:
    Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HPO₄²⁻.
    Lösung zeigen
    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⁻)
  2. ●11
    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)
  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

Warum ist reines Wasser bei 25 Grad Celsius neutral, obwohl es Ionen enthält?
Schritt für Schritt
  1. Wasser reagiert mit sich selbst: 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻.
  2. Beide Ionensorten entstehen im gleichen Verhältnis.
  3. Bei 25 Grad Celsius sind es je 10⁻⁷ mol/L.
  1. Wasser reagiert mit sich selbst: 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻.
  2. Beide Ionensorten entstehen im gleichen Verhältnis.
  3. Bei 25 Grad Celsius sind es je 10⁻⁷ mol/L.
Ergebnis:
Es enthält je 10⁻⁷ mol/L Oxonium- und Hydroxid-Ionen

AchtungFalsche Vorstellung von den Ionen im Wasser

So nicht
Reines Wasser enthält keine Ionen.
So richtig
Wasser protolysiert in geringem Maß selbst. Bei 25 Grad Celsius sind es je 10⁻⁷ mol/L Oxonium- und Hydroxid-Ionen.

Berechne aus Kw = 10⁻¹⁴ mol²/L², wie groß c(H₃O⁺) in reinem Wasser ist.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    So fängst du an:
    Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
    2. pH = −lg 0,002.
    3. pH = 2,70
    Ergebnis:
    2,70
  2. ●14
    Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    2. pH = −lg 0,01.
    3. pH = 2,00
    Ergebnis:
    2,00
  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 Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0120 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0120 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
Ergebnis:
0,12 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 48,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    So fängst du an:
    n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0480 L.
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0480 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 100,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,1000 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,25 mol/L
    Ergebnis:
    0,25 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

Die Base Ammoniak hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist der pKs-Wert des korrespondierenden Ammonium-Ions bei 25 Grad Celsius?
Schritt für Schritt
  1. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.
  2. pKs = 14 − 4,75.
  3. pKs = 9,25
  1. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.
  2. pKs = 14 − 4,75.
  3. pKs = 9,25
Ergebnis:
9,25

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. ○19
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 10,6. 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 − 10,6.
    3. pOH = 3,4
    Ergebnis:
    3,4
  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

Welches Paar bildet ein Puffersystem?
Schritt für Schritt
  1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
  2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
  3. H₂CO₃ und HCO₃⁻
  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⁻

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → CH₃COOH und C₆H₅COO⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → H₂CO₃ und HCO₃⁻

Schreib zu jedem Teilchen auf, welches Teilchen entsteht, wenn es ein Proton abgibt oder aufnimmt.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Milchsäure (pKs = 3,86) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    So fängst du an:
    Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
    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 = 3,86
    Ergebnis:
    3,86
  2. ●23
    Flusssäure (pKs = 3,14) 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 = 3,14
    Ergebnis:
    3,14
  3. ★24
    Ameisensäure (pKs = 3,75) 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 = 3,75
    Ergebnis:
    3,75

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 Natriumfluorid (NaF)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das Fluorid-Ion ist die Base der schwachen Flusssäure und nimmt Protonen auf.
  3. Also: basisch.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das Fluorid-Ion ist die Base der schwachen Flusssäure und nimmt Protonen auf.
  3. Also: basisch.
Ergebnis:
Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

AchtungJede Salzlösung gilt als neutral

So nicht
Salze sind neutral, weil sie aus Säure und Base entstehen.
So richtig
Salze schwacher Säuren oder Basen reagieren sauer oder basisch, zum Beispiel NH₄Cl sauer und Na₂CO₃ basisch.

Miss den pH-Wert von Salzlösungen und vergleiche mit deiner Vorhersage.

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Oxalsäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 1,25, 4,27. Bestimme: Welcher Wert gehört zur letzten Stufe?
    So fängst du an:
    Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    Lösung zeigen
    1. Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    2. Der pKs-Wert wächst von Stufe zu Stufe.
    3. Die letzte Stufe hat den größten Wert: 4,27.
    Ergebnis:
    4,27
  2. ●26
    Phosphorsäure protolysiert in drei Stufen mit den pKs-Werten 2,2, 7,2 und 12,3. Warum werden die Stufen immer schwächer?
    Lösung zeigen
    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
  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
    In der Protolyse H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + 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
  2. ●29
    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?
    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
  3. ●30
    Lösung A hat den pH-Wert 3, 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: 2.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 2 = 100
    Ergebnis:
    100
  4. ●31
    10,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 3,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,20 mol/L · 0,0030 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  5. ●32
    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?
    Lösung zeigen
    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
  6. ★33
    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

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 NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
    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 CO₃²⁻ 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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Natronlauge entweicht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ammonium-Ionen

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

    37
    Für Essigsäure gilt pKs = 4,76. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,7 · 10⁻⁵ mol/L

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

    38
    Lösung A hat den pH-Wert 7, 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
    Ergebnis:
    10

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

    39
    Bromthymolblau ist in Säuren gelb und in Laugen blau. Welche Farbe zeigt es am Äquivalenzpunkt der Titration von Salzsäure mit Natronlauge?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Grün, die Mischfarbe im Neutralen

  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 = 0,5 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,1

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

    41
    Essigsäure (pKs = 4,76) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,76

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

    42
    Bernsteinsäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 4,21, 5,64. Bestimme: Welcher Wert gehört zur letzten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    5,64

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. CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  5. Ein polar gebundenes Wasserstoffatom
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Mit Silbernitratlösung entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst
  8. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(CN⁻) : c(HCN)
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 2,70
  14. 2,00
  15. 5
  16. 0,12 mol/L
  17. 0,25 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 3,4
  20. 4,3
  21. 11,1
  22. 3,86
  23. 3,14
  24. 3,75
  25. 4,27
  26. Ein Proton lässt sich aus einem negativen Teilchen schwerer abspalten
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Base, es nimmt ein Proton auf
  29. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  30. 100
  31. 0,12 mol/L
  32. 2,1
  33. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  34. Base, es nimmt ein Proton auf
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Ammonium-Ionen
  37. 1,7 · 10⁻⁵ mol/L
  38. 10
  39. Grün, die Mischfarbe im Neutralen
  40. 2,1
  41. 4,76
  42. 5,64