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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 HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HSO₄⁻?
Schritt für Schritt
  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.
  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

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 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 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat NH₃?
    Lösung zeigen
    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
  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 NH₄⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
Schritt für Schritt
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: nein.
  3. Nur das erste Merkmal: Säure.
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: nein.
  3. Nur das erste Merkmal: Säure.
Ergebnis:
Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen

AchtungNur ein Strukturmerkmal beachtet

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Das Teilchen HCO₃⁻ 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 CH₃NH₃⁺ 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 verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt.
Schritt für Schritt
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
Ergebnis:
Carbonat-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? Beim Ansäuern sprudelt es, und das Gas lässt Kalkwasser milchig werden.
    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
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Carbonat-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Carbonat-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt.
    Ergebnis:
    Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt
  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 Benzoesäure gilt pKs = 4,20. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
Schritt für Schritt
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 4,20.
  3. Ks = 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  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

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 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 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

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

AchtungFalsche Vorstellung von den Ionen im Wasser

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 0,02 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    So fängst du an:
    Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,02 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,02 mol/L.
    2. pH = −lg 0,02.
    3. pH = 1,70
    Ergebnis:
    1,70
  2. ●14
    Lösung A hat den pH-Wert 2, 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
    1. Unterschied der pH-Werte: 1.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 1 = 10
    Ergebnis:
    10
  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 Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 15,6 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
Schritt für Schritt
  1. n(Ba(OH)₂) = 0,20 mol/L · 0,0156 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,25 mol/L
  1. n(Ba(OH)₂) = 0,20 mol/L · 0,0156 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 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
    20,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 60,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    So fängst du an:
    n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0600 L.
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,050 mol/L · 0,0600 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0200 L = 0,15 mol/L
    Ergebnis:
    0,15 mol/L
  2. ●17
    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)?
    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
  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 der Benzoesäure (pKs = 4,20) 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 · (4,20 − lg 0,1) = ½ · (4,20 + 1,00).
    3. pH ≈ 2,6
    Ergebnis:
    2,6
  2. ●20
    Eine Lösung der Ameisensäure (pKs = 3,75) 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 · (3,75 − lg 0,1) = ½ · (3,75 + 1,00).
    3. pH ≈ 2,4
    Ergebnis:
    2,4
  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

Propansäure (pKs = 4,87) 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 = 4,87
  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

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
    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
    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 Zinkchlorid (ZnCl₂)?
Schritt für Schritt
  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.
  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

AchtungJede Salzlösung gilt als neutral

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Chloressigsäure (pKs = 2,9) ist stärker als Essigsäure (pKs = 4,8). Wie lässt sich das erklären?
    So fängst du an:
    Chlor ist elektronegativer als Kohlenstoff.
    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
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Kaliumnitrat (KNO₃)?
    Lösung zeigen
    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
  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 HPO₄²⁻ + H₃O⁺ → H₂PO₄⁻ + 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
  2. ●29
    Das Teilchen ClO⁻ 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
    Für Ameisensäure gilt pKs = 3,75. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 3,75.
    3. Ks = 1,8 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    1,8 · 10⁻⁴ mol/L
  4. ●31
    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
    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
  5. ●32
    Zur Neutralisation von 20,0 mL Salzsäure werden 15,0 mL Natronlauge mit c = 0,10 mol/L verbraucht. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0150 L = 0,00150 mol.
    2. Es gilt n(HCl) = n(NaOH).
    3. c(HCl) = 0,00150 mol : 0,0200 L = 0,075 mol/L
    Ergebnis:
    0,075 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 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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Bromid-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
    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
    Ergebnis:
    11,00

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

    39
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,12 mol/L

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

    40
    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
    Ergebnis:
    9,25

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

    41
    Propansäure (pKs = 4,87) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,87

  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. Base, es nimmt ein Proton auf
  2. Base, es nimmt ein Proton auf
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  5. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Carbonat-Ionen
  8. Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt
  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(SO₄²⁻) : c(HSO₄⁻)
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 1,70
  14. 10
  15. 5
  16. 0,15 mol/L
  17. 0,080 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 2,6
  20. 2,4
  21. 11,1
  22. 4,20
  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. Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion
  26. Neutral, kein Ion reagiert mit Wasser
  27. Das Sauerstoffatom stellt das bindende Elektronenpaar bereit
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  30. 1,8 · 10⁻⁴ mol/L
  31. 13,00
  32. 0,075 mol/L
  33. 5,6
  34. Base, es nimmt ein Proton auf
  35. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  36. Bromid-Ionen
  37. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  38. 11,00
  39. 0,12 mol/L
  40. 9,25
  41. 4,87
  42. 5,64