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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

Welches Teilchen bildet mit dem Ammonium-Ion NH₄⁺ ein korrespondierendes Säure-Base-Paar?
Schritt für Schritt
  1. Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
  2. NH₄⁺ gibt ein Proton ab.
  3. Es bleibt NH₃.
  1. Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
  2. NH₄⁺ gibt ein Proton ab.
  3. Es bleibt NH₃.
Ergebnis:
NH₃, das Ammoniak

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. ○1
    In der Protolyse CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat CN⁻?
    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. CN⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. CN⁻ gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  2. ●2
    In der Protolyse HF + H₂O ⇌ F⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HF?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. HF wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HF verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  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 CN⁻ 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

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. ○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

Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot.
Schritt für Schritt
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Oxonium-Ionen.
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Oxonium-Ionen.
Ergebnis:
Oxonium-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
    Zu einer farblosen Lösung wird Silbernitratlösung gegeben. Es fällt ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Salpetersäure nicht löst. Welches Ion enthält die Lösung?
    So fängst du an:
    Silbernitrat fällt Halogenide und Carbonat.
    Lösung zeigen
    1. Silbernitrat fällt Halogenide und Carbonat.
    2. Silbercarbonat löst sich in Säure.
    3. Ein weißer Niederschlag, der bleibt, ist Silberchlorid.
    Ergebnis:
    Chlorid-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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
    Ergebnis:
    Carbonat-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 HCOOH + H₂O ⇌ HCOO⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HCOO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HCOOH.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HCOO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HCOOH.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
Ergebnis:
Ks = c(H₃O⁺) · c(HCOO⁻) : c(HCOOH)

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
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺?
    So fängst du an:
    Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und A⁻.
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und A⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HA.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA)
  2. ●11
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und SO₄²⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HSO₄⁻.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(SO₄²⁻) : c(HSO₄⁻)
  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

Lösung A hat den pH-Wert 1, Lösung B den pH-Wert 4. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
Schritt für Schritt
  1. Unterschied der pH-Werte: 3.
  2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
  3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
  1. Unterschied der pH-Werte: 3.
  2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
  3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
Ergebnis:
1000

AchtungpH-Wert linear gedacht

So nicht
pH 2 ist doppelt so sauer wie pH 4.
So richtig
pH 2 hat hundertmal mehr H⁺-Ionen als pH 4. Jede Stufe ist ein Faktor zehn.

Zähl die Stufen zwischen den beiden pH-Werten. Nimm für jede Stufe mal zehn.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Warum ist reines Wasser bei 25 Grad Celsius neutral, obwohl es Ionen enthält?
    So fängst du an:
    Wasser reagiert mit sich selbst: 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻.
    Lösung zeigen
    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
  2. ●14
    Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 0,0001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,0001 mol/L.
    2. pH = −lg 0,0001.
    3. pH = 4,00
    Ergebnis:
    4,00
  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 Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,5 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0125 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0250 L = 0,050 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0125 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 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
    Bei der Titration von Salzsäure mit Natronlauge schlägt der Indikator um. Was gilt in diesem Moment, dem Äquivalenzpunkt?
    So fängst du an:
    Der Indikator zeigt den Äquivalenzpunkt an.
    Lösung zeigen
    1. Der Indikator zeigt den Äquivalenzpunkt an.
    2. Dort sind Säure und Lauge im Verhältnis der Gleichung zugegeben.
    3. Es gilt n(OH⁻) = n(H₃O⁺).
    Ergebnis:
    Die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen ist gleich der Stoffmenge an Oxonium-Ionen
  2. ●17
    25,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 62,5 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0625 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0250 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

Eine Lösung der Flusssäure (pKs = 3,14) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,1 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 0,1) = ½ · (3,14 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,1
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,14 − lg 0,1) = ½ · (3,14 + 1,00).
  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 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?
    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 · (3,14 − lg 0,2) = ½ · (3,14 + 0,70).
    3. pH ≈ 1,9
    Ergebnis:
    1,9
  2. ●20
    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
    1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    2. pH = ½ · (3,75 − lg 0,5) = ½ · (3,75 + 0,30).
    3. pH ≈ 2,0
    Ergebnis:
    2,0
  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. HCOOH und HCOO⁻
  1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
  2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
  3. HCOOH und HCOO⁻
Ergebnis:
HCOOH und HCOO⁻

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → C₆H₅COOH und CH₃COO⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → HCOOH und HCOO⁻

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Benzoesäure (pKs = 4,20) 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 = 4,20
    Ergebnis:
    4,20
  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
    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

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 Kaliumnitrat (KNO₃)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Kalium-Ionen und Nitrat-Ionen stammen aus einer starken Base und einer starken Säure und reagieren nicht mit Wasser.
  3. Also: neutral.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Kalium-Ionen und Nitrat-Ionen stammen aus einer starken Base und einer starken Säure und reagieren nicht mit Wasser.
  3. Also: neutral.
Ergebnis:
Neutral, kein Ion reagiert mit Wasser

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
    Citronensäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 3,13, 4,76, 6,40. 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: 3,13.
    Ergebnis:
    3,13
  2. ●26
    Kohlensäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 6,35, 10,33. 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: 6,35.
    Ergebnis:
    6,35
  3. ★27
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumacetat (CH₃COONa)?
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Das Acetat-Ion ist eine Base und nimmt Protonen auf, das Natrium-Ion reagiert nicht.
    3. Also: basisch.
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●28
    In der Protolyse HCl + H₂O → Cl⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂O?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. H₂O wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. H₂O gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  2. ●29
    Das Teilchen SO₃²⁻ 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
    Wie weist man Ammonium-Ionen in einer Lösung nach?
    Lösung zeigen
    1. Eine Base nimmt dem Ammonium-Ion ein Proton ab.
    2. Es entsteht gasförmiges Ammoniak.
    3. Ammoniak färbt feuchtes Indikatorpapier blau.
    Ergebnis:
    Mit Natronlauge versetzen, das entweichende Ammoniak färbt feuchtes Indikatorpapier blau
  4. ●31
    Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,05 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,05 mol/L.
    2. pH = −lg 0,05.
    3. pH = 1,30
    Ergebnis:
    1,30
  5. ●32
    25,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 31,3 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0313 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0250 L = 0,25 mol/L
    Ergebnis:
    0,25 mol/L
  6. ●33
    Eine Lösung der Ameisensäure (pKs = 3,75) 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 · (3,75 − lg 0,2) = ½ · (3,75 + 0,70).
    3. pH ≈ 2,2
    Ergebnis:
    2,2

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 CH₃COO⁻?
    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 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
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen

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

    36
    Zu einer farblosen Lösung wird Silbernitratlösung gegeben. Es fällt ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Salpetersäure nicht löst. Welches Ion enthält die Lösung?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chlorid-Ionen

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

    37
    Für Benzoesäure gilt pKs = 4,20. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    6,3 · 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 1, Lösung B den pH-Wert 3. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    100

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

    39
    10,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 20,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,20 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 9,7. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,3

  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
    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. Base, es nimmt ein Proton auf
  2. Säure, es gibt ein Proton ab
  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. Chlorid-Ionen
  8. Carbonat-Ionen
  9. Carbonat-Ionen
  10. Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA)
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(SO₄²⁻) : c(HSO₄⁻)
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. Es enthält je 10⁻⁷ mol/L Oxonium- und Hydroxid-Ionen
  14. 4,00
  15. 5
  16. Die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen ist gleich der Stoffmenge an Oxonium-Ionen
  17. 0,25 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 1,9
  20. 2,0
  21. 11,1
  22. 4,20
  23. Acetat-Ionen nehmen die Oxonium-Ionen auf, der pH-Wert ändert sich kaum
  24. 3,14
  25. 3,13
  26. 6,35
  27. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  28. Base, es nimmt ein Proton auf
  29. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  30. Mit Natronlauge versetzen, das entweichende Ammoniak färbt feuchtes Indikatorpapier blau
  31. 1,30
  32. 0,25 mol/L
  33. 2,2
  34. Base, es nimmt ein Proton auf
  35. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  36. Chlorid-Ionen
  37. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  38. 100
  39. 0,20 mol/L
  40. 4,3
  41. Es gilt pH = pKs, weil c(HA) = c(A⁻) ist
  42. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf