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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 Reaktion CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei korrespondierende Paare. Welche sind es?
    So fängst du an:
    Ein Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    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
  2. ●2
    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
  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 CO₃²⁻ 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 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

Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
Schritt für Schritt
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Chlorid-Ionen.
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Chlorid-Ionen.
Ergebnis:
Chlorid-Ionen

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 Hydroxid-Ionen?
    So fängst du an:
    Zuerst wird das Reagenz für Hydroxid-Ionen gesucht.
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Hydroxid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau.
    Ergebnis:
    Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  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
    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 Propansäure gilt pKs = 4,87. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
Schritt für Schritt
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 4,87.
  3. Ks = 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 4,87.
  3. Ks = 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
Ergebnis:
1,3 · 10⁻⁵ 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 das Hydrogencarbonat-Ion gilt pKs = 10,33. 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 10,33.
    3. Ks = 4,7 · 10⁻¹¹ mol/L
    Ergebnis:
    4,7 · 10⁻¹¹ mol/L
  2. ●11
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HF + H₂O ⇌ F⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und F⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HF.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  3. ★12
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse C₆H₅COOH + H₂O ⇌ C₆H₅COO⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und C₆H₅COO⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt C₆H₅COOH.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(C₆H₅COO⁻) : c(C₆H₅COOH)

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

Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,0001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,0001 mol/L.
  2. pH = −lg 0,0001.
  3. pH = 4,00
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,0001 mol/L.
  2. pH = −lg 0,0001.
  3. pH = 4,00
Ergebnis:
4,00

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
    Eine Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert?
    So fängst du an:
    Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    2. pH = −lg 0,01.
    3. pH = 2
    Ergebnis:
    2
  2. ●14
    Bariumhydroxid-Lösung hat die Konzentration c(Ba(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

25,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 6,3 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0063 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,050 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0063 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,050 mol/L
Ergebnis:
0,050 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
    10,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 8,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    So fängst du an:
    n(KOH) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0100 L = 0,080 mol/L
    Ergebnis:
    0,080 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 30,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0300 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,15 mol/L
    Ergebnis:
    0,15 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 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?
Schritt für Schritt
  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
  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

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 12,6. 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 − 12,6.
    3. pOH = 1,4
    Ergebnis:
    1,4
  2. ●20
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 11,3. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 11,3.
    3. pOH = 2,7
    Ergebnis:
    2,7
  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

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
    Essigsäure (pKs = 4,76) 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 = 4,76
    Ergebnis:
    4,76
  2. ●23
    Zu einem Acetat-Puffer aus Essigsäure und Natriumacetat wird eine kleine Menge Salzsäure gegeben. Was geschieht?
    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
  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

Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das Hydrogencarbonat-Ion nimmt Protonen leichter auf, als es sie abgibt.
  3. Also: basisch.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das Hydrogencarbonat-Ion nimmt Protonen leichter auf, als es sie abgibt.
  3. Also: basisch.
Ergebnis:
Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

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
    Phosphorsäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 2,16, 7,21, 12,32. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten 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 erste Stufe hat den kleinsten Wert: 2,16.
    Ergebnis:
    2,16
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Ammoniumchlorid (NH₄Cl)?
    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 Chlorid-Ion reagiert nicht.
    3. Also: sauer.
    Ergebnis:
    Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  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 H₂S + OH⁻ → HS⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂S?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. H₂S wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. H₂S verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Hydroxid-Ionen.
    Ergebnis:
    Hydroxid-Ionen
  4. ●31
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺?
    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⁻)
  5. ●32
    Lösung A hat den pH-Wert 5, Lösung B den pH-Wert 6. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 1.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 1 = 10
    Ergebnis:
    10
  6. ●33
    20,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 10,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0100 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0200 L = 0,050 mol/L
    Ergebnis:
    0,050 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 CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₃O⁺?
    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 C₆H₅NH₃⁺ 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
    Ergebnis:
    Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen

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

    36
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Chlorid-Ionen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst

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

    37
    Essigsäure hat den pKs-Wert 4,76, Ameisensäure den pKs-Wert 3,75. Welche Säure ist stärker?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner

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

    38
    Lösung A hat den pH-Wert 4, Lösung B den pH-Wert 7. 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 Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 10,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    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 der Ameisensäure (pKs = 3,75) 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:
    2,0

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    HCOOH und HCOO⁻

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

    42
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumfluorid (NaF)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

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. CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  2. NH₃, das Ammoniak
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  5. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  8. Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 4,7 · 10⁻¹¹ mol/L
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  12. Ks = c(H₃O⁺) · c(C₆H₅COO⁻) : c(C₆H₅COOH)
  13. 2
  14. 12,00
  15. 5
  16. 0,080 mol/L
  17. 0,15 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 1,4
  20. 2,7
  21. 11,1
  22. 4,76
  23. Acetat-Ionen nehmen die Oxonium-Ionen auf, der pH-Wert ändert sich kaum
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. 2,16
  26. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  30. Hydroxid-Ionen
  31. Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)
  32. 10
  33. 0,050 mol/L
  34. Säure, es gibt ein Proton ab
  35. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  36. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst
  37. Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner
  38. 1000
  39. 0,10 mol/L
  40. 2,0
  41. HCOOH und HCOO⁻
  42. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf