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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 HPO₄²⁻ + H₃O⁺ → H₂PO₄⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. H₃O⁺ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. H₃O⁺ verliert ein Proton: Säure.
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. H₃O⁺ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. H₃O⁺ verliert ein Proton: Säure.
Ergebnis:
Säure, es gibt ein Proton ab

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
    Welches Teilchen bildet mit dem Ammonium-Ion NH₄⁺ ein korrespondierendes Säure-Base-Paar?
    So fängst du an:
    Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
    Lösung zeigen
    1. Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
    2. NH₄⁺ gibt ein Proton ab.
    3. Es bleibt NH₃.
    Ergebnis:
    NH₃, das Ammoniak
  2. ●2
    In der Protolyse NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ 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 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 HCOO⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
Schritt für Schritt
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
Ergebnis:
Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

AchtungNur ein Strukturmerkmal beachtet

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Welches Strukturmerkmal macht ein Teilchen zum Protonendonator?
    So fängst du an:
    Ein Donator gibt ein Proton ab.
    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
  2. ●5
    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?
    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. ★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? Beim Erwärmen mit Lauge entweicht ein stechend riechendes Gas, das Indikatorpapier bläut.
Schritt für Schritt
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Ammonium-Ionen.
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Ammonium-Ionen.
Ergebnis:
Ammonium-Ionen

AchtungBase nur als Stoff mit Hydroxid-Ionen verstanden

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Ammonium-Ionen?
    So fängst du an:
    Zuerst wird das Reagenz für Ammonium-Ionen gesucht.
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Ammonium-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Natronlauge entweicht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt.
    Ergebnis:
    Mit Natronlauge entweicht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt
  2. ●8
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Oxonium-Ionen.
    Ergebnis:
    Oxonium-Ionen
  3. ★9
    Eine Probe enthält Chlorid- und Carbonat-Ionen. Wie lässt sich Chlorid sicher nachweisen?
    Lösung zeigen
    1. Carbonat stört, weil Silbercarbonat ebenfalls weiß ist.
    2. Salpetersäure entfernt das Carbonat als Gas.
    3. Danach fällt nur noch Silberchlorid aus.
    Ergebnis:
    Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben

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

MerkenSäurekonstante

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

Je kleiner pKs, desto stärker die Säure.

BeispielMassenwirkungsgesetz, Säurekonstante und pKs-Wert

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

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

Eine Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
  2. pH = −lg 0,01.
  3. pH = 2
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
  2. pH = −lg 0,01.
  3. pH = 2
Ergebnis:
2

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
    Natronlauge hat die Konzentration c(NaOH) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    So fängst du an:
    c(OH⁻) = 1 · 0,002 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 1 · 0,002 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 11,30
    Ergebnis:
    11,30
  2. ●14
    Natronlauge hat die Konzentration c(NaOH) = 0,001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 1 · 0,001 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 11,00
    Ergebnis:
    11,00
  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 Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 125,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,1250 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0250 L = 0,25 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,1250 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

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 Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 6,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0060 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0060 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 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 = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 40,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0400 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 mol/L
  3. ★18
    25,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 100,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,1000 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0250 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 mol/L

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

MerkenSchwache Säuren und Basen

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

BeispielpOH, pKB und pH-Wert schwacher Säuren und Basen

Eine Lösung der Propansäure (pKs = 4,87) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,1 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 · (4,87 − lg 0,1) = ½ · (4,87 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,9
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (4,87 − lg 0,1) = ½ · (4,87 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,9
Ergebnis:
2,9

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 der Essigsäure (pKs = 4,76) 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 · (4,76 − lg 0,2) = ½ · (4,76 + 0,70).
    3. pH ≈ 2,7
    Ergebnis:
    2,7
  2. ●20
    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?
    Lösung zeigen
    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
  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

Eine schwache Säure wird mit Natronlauge titriert. Was gilt am Halbäquivalenzpunkt?
Schritt für Schritt
  1. Die Hälfte der Säure ist zu A⁻ geworden.
  2. Also gilt c(HA) = c(A⁻).
  3. Im Ks-Ausdruck kürzt sich der Bruch: pH = pKs.
  1. Die Hälfte der Säure ist zu A⁻ geworden.
  2. Also gilt c(HA) = c(A⁻).
  3. Im Ks-Ausdruck kürzt sich der Bruch: pH = pKs.
Ergebnis:
Es gilt pH = pKs, weil c(HA) = c(A⁻) ist

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → CH₃COOH und C₆H₅COO⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → CH₃COOH und CH₃COO⁻

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Propansäure (pKs = 4,87) 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 = 4,87
    Ergebnis:
    4,87
  2. ●23
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
    2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    3. CH₃COOH und CH₃COO⁻
    Ergebnis:
    CH₃COOH und CH₃COO⁻
  3. ★24
    Ein Puffer enthält Essigsäure und Acetat im Stoffmengenverhältnis 1 : 1. Auf welchen Wert stellt sich der pH-Wert ein?
    Lösung zeigen
    1. Bei c(HA) = c(A⁻) kürzt sich der Bruch im Ks-Ausdruck.
    2. Es bleibt c(H₃O⁺) = Ks.
    3. Also gilt pH = pKs = 4,76.
    Ergebnis:
    Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8

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

MerkenStufen, Substituenten, Salze

Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

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

BeispielMehrstufige Protolyse, induktiver Effekt und Salzlösungen

Phosphorsäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 2,16, 7,21, 12,32. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
Schritt für Schritt
  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.
  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

AchtungStärke der Protolysestufen falsch begründet

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Ammoniumnitrat (NH₄NO₃)?
    So fängst du an:
    Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Das Ammonium-Ion ist eine Säure und gibt Protonen ab, das Nitrat-Ion reagiert nicht.
    3. Also: sauer.
    Ergebnis:
    Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  2. ●26
    Chloressigsäure (pKs = 2,9) ist stärker als Essigsäure (pKs = 4,8). Wie lässt sich das erklären?
    Lösung zeigen
    1. Chlor ist elektronegativer als Kohlenstoff.
    2. Es zieht Elektronen über die Bindungen an (induktiver Effekt).
    3. Dadurch wird das Anion stabiler und die Säure stärker.
    Ergebnis:
    Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion
  3. ★27
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Zinkchlorid (ZnCl₂)?
    Lösung zeigen
    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

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●28
    Das Teilchen CH₃COO⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    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. ●29
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Hydroxid-Ionen.
    Ergebnis:
    Hydroxid-Ionen
  3. ●30
    Für salpetrige Säure gilt pKs = 3,35. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 3,35.
    3. Ks = 4,5 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    4,5 · 10⁻⁴ mol/L
  4. ●31
    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
  5. ●32
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 48,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0480 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  6. ●33
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 8,4. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 8,4.
    3. pOH = 5,6
    Ergebnis:
    5,6

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
    Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser: HCl + H₂O → Cl⁻ + H₃O⁺. Welche Rolle hat das Wassermolekül in dieser Reaktion?
    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 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
    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? Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chlorid-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
    Kalilauge hat die Konzentration c(KOH) = 0,1 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    13,00

  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 hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 11,3. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,7

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    HCN und CN⁻

  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. NH₃, das Ammoniak
  2. Säure, es gibt ein Proton ab
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Ein polar gebundenes Wasserstoffatom
  5. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Mit Natronlauge entweicht ein Gas, das feuchtes Indikatorpapier blau färbt
  8. Oxonium-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(ClO⁻) : c(HClO)
  12. Ks = c(H₃O⁺) · c(CH₃COO⁻) : c(CH₃COOH)
  13. 11,30
  14. 11,00
  15. 5
  16. 0,12 mol/L
  17. 0,20 mol/L
  18. 0,20 mol/L
  19. 2,7
  20. 2,1
  21. 11,1
  22. 4,87
  23. CH₃COOH und CH₃COO⁻
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  26. Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion
  27. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  28. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  29. Hydroxid-Ionen
  30. 4,5 · 10⁻⁴ mol/L
  31. 12,00
  32. 0,12 mol/L
  33. 5,6
  34. Base, es nimmt ein Proton auf
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Chlorid-Ionen
  37. 1,7 · 10⁻⁵ mol/L
  38. 13,00
  39. Grün, die Mischfarbe im Neutralen
  40. 2,7
  41. HCN und CN⁻
  42. 6,35