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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 H₂S + OH⁻ → HS⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
Schritt für Schritt
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. OH⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. OH⁻ gewinnt ein Proton: Base.
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. OH⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. OH⁻ gewinnt ein Proton: Base.
Ergebnis:
Base, es nimmt ein Proton auf

AchtungProtonendonator und Protonenakzeptor vertauscht

So nicht
Das Teilchen, das ein Proton aufnimmt, ist die Säure.
So richtig
Die Säure gibt ein Proton ab (Donator), die Base nimmt es auf (Akzeptor).

Zeichne einen Pfeil für das Proton und markiere seinen Start und sein Ziel.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    In der Protolyse HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HSO₄⁻?
    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. HSO₄⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HSO₄⁻ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Protolyse CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat CH₃COO⁻?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. CH₃COO⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. CH₃COO⁻ gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  3. ★3
    In der Protolyse CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    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

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 HS⁻ besitzt ein 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: ja.
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  2. ●5
    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
  3. ★6
    Das Teilchen HPO₄²⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen

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

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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt.
    So fängst du an:
    Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
    Ergebnis:
    Carbonat-Ionen
  2. ●8
    Eine Probe sprudelt beim Zutropfen von verdünnter Salzsäure, und das Gas trübt Kalkwasser. Welches Ion enthält die Probe?
    Lösung zeigen
    1. Das Gas trübt Kalkwasser.
    2. Es ist Kohlenstoffdioxid.
    3. Es entsteht aus Carbonat und Säure.
    Ergebnis:
    Carbonat-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 HClO + H₂O ⇌ ClO⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und ClO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HClO.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  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)

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 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
    Für Benzoesäure gilt pKs = 4,20. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 4,20.
    3. Ks = 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
    Ergebnis:
    6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  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

Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,001 mol/L.
  2. pH = −lg 0,001.
  3. pH = 3,00
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,001 mol/L.
  2. pH = −lg 0,001.
  3. pH = 3,00
Ergebnis:
3,00

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
    Natronlauge hat die Konzentration c(NaOH) = 0,1 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 · 0,1 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 1 · 0,1 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 13,00
    Ergebnis:
    13,00
  2. ●14
    Salpetersäure hat die Konzentration c(HNO₃) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
    2. pH = −lg 0,002.
    3. pH = 2,70
    Ergebnis:
    2,70
  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

Bei der Titration von Salzsäure mit Natronlauge schlägt der Indikator um. Was gilt in diesem Moment, dem Äquivalenzpunkt?
Schritt für Schritt
  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⁺).
  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

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 Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 5,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0200 L = 0,050 mol/L
    Ergebnis:
    0,050 mol/L
  2. ●17
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 80,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0800 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 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 Milchsäure (pKs = 3,86) 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 · (3,86 − lg 0,1) = ½ · (3,86 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,4
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,86 − lg 0,1) = ½ · (3,86 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,4
Ergebnis:
2,4

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 = 0,1 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 0,1) = ½ · (4,76 + 1,00).
    3. pH ≈ 2,9
    Ergebnis:
    2,9
  2. ●20
    Die Base Ammoniak hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist der pKs-Wert des korrespondierenden Ammonium-Ions bei 25 Grad Celsius?
    Lösung zeigen
    1. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.
    2. pKs = 14 − 4,75.
    3. pKs = 9,25
    Ergebnis:
    9,25
  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. HCO₃⁻ und CO₃²⁻
  1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
  2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
  3. HCO₃⁻ und CO₃²⁻
Ergebnis:
HCO₃⁻ und CO₃²⁻

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → HCN und CH₃COO⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → HCO₃⁻ und CO₃²⁻

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
    Das Hydrogencarbonat-Ion (pKs = 10,33) 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 = 10,33
    Ergebnis:
    10,33
  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 Natriumsulfat (Na₂SO₄)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Natrium-Ionen reagieren nicht mit Wasser, Sulfat-Ionen nehmen praktisch keine Protonen auf.
  3. Also: neutral.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Natrium-Ionen reagieren nicht mit Wasser, Sulfat-Ionen nehmen praktisch keine Protonen auf.
  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
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumacetat (CH₃COONa)?
    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 Acetat-Ion ist eine Base und nimmt Protonen auf, das Natrium-Ion reagiert nicht.
    3. Also: basisch.
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃)?
    Lösung zeigen
    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
  3. ★27
    Wie kommt die Bindung zwischen einem Aluminium-Ion und einem Wassermolekül im Komplex [Al(H₂O)₆]³⁺ zustande?
    Lösung zeigen
    1. Das Wassermolekül hat freie Elektronenpaare am Sauerstoffatom.
    2. Das Aluminium-Ion hat leere Plätze.
    3. Das Paar des Liganden bildet die koordinative Bindung.
    Ergebnis:
    Das Sauerstoffatom stellt das bindende Elektronenpaar bereit

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●28
    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
  2. ●29
    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. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau.
    Ergebnis:
    Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  3. ●30
    Eine Säure hat die Säurekonstante Ks = 1,0 · 10⁻⁴ mol/L. Bestimme: Wie groß ist ihr pKs-Wert?
    Lösung zeigen
    1. pKs = −lg Ks.
    2. lg (1,0 · 10⁻⁴) = −4.
    3. pKs = 4
    Ergebnis:
    4
  4. ●31
    Eine Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert?
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    2. pH = −lg 0,01.
    3. pH = 2
    Ergebnis:
    2
  5. ●32
    10,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 40,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0400 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 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
    In der Protolyse CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂O?
    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 H₂PO₄⁻ 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
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Hydroxid-Ionen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau

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

    37
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(SO₄²⁻) : c(HSO₄⁻)

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

    38
    Lösung A hat den pH-Wert 5, 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:
    1000

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

    39
    20,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 8,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,080 mol/L

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

    40
    Eine Lösung der Milchsäure (pKs = 3,86) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,5 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
    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
    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. Base, es nimmt ein Proton auf
  3. Säure, es gibt ein Proton ab
  4. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  5. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  6. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  7. Carbonat-Ionen
  8. Carbonat-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)
  11. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 13,00
  14. 2,70
  15. 5
  16. 0,050 mol/L
  17. 0,20 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 2,9
  20. 9,25
  21. 11,1
  22. 4,87
  23. 10,33
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  26. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  27. Das Sauerstoffatom stellt das bindende Elektronenpaar bereit
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  30. 4
  31. 2
  32. 0,20 mol/L
  33. 5,6
  34. Säure, es gibt ein Proton ab
  35. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  36. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  37. Ks = c(H₃O⁺) · c(SO₄²⁻) : c(HSO₄⁻)
  38. 1000
  39. 0,080 mol/L
  40. 2,1
  41. HCN und CN⁻
  42. 5,64