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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 CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat CH₃COOH?
Schritt für Schritt
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. CH₃COOH wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. CH₃COOH verliert ein Proton: Säure.
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. CH₃COOH wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. CH₃COOH 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 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂O?
    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. H₂O wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. H₂O verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Protolyse HNO₃ + NH₃ → NO₃⁻ + NH₄⁺ 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
    In der Protolyse CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + 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

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 HSO₃⁻ 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
    Wasser kann Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Wie nennt man solche Teilchen?
    So fängst du an:
    Ein Teilchen, das Protonen aufnehmen und abgeben kann, ist beides.
    Lösung zeigen
    1. Ein Teilchen, das Protonen aufnehmen und abgeben kann, ist beides.
    2. Es besitzt ein abspaltbares Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar.
    3. Der Name: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyte, sie wirken je nach Partner als Säure oder Base
  2. ●5
    Das Teilchen S²⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Nur das zweite Merkmal: Base.
    Ergebnis:
    Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  3. ★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

Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Chlorid-Ionen?
Schritt für Schritt
  1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
  1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
  2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
  3. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
Ergebnis:
Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst

AchtungNiederschlag mit Silbernitrat dem falschen Ion zugeordnet

So nicht
Jeder weiße Niederschlag mit Silbernitrat zeigt Chlorid an.
So richtig
Auch Carbonat bildet mit Silbernitrat einen weißen Niederschlag. Salpetersäure trennt: Silberchlorid bleibt, Silbercarbonat löst sich.

Prüfe, ob sich der Niederschlag in verdünnter Salpetersäure löst.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Wie weist man Ammonium-Ionen in einer Lösung nach?
    So fängst du an:
    Eine Base nimmt dem Ammonium-Ion ein Proton ab.
    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
  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 C₆H₅COOH + H₂O ⇌ C₆H₅COO⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und C₆H₅COO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt C₆H₅COOH.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und C₆H₅COO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt C₆H₅COOH.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
Ergebnis:
Ks = c(H₃O⁺) · c(C₆H₅COO⁻) : c(C₆H₅COOH)

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 NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺?
    So fängst du an:
    Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und NH₃.
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und NH₃.
    2. Im Nenner steht das Edukt NH₄⁺.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(NH₃) : c(NH₄⁺)
  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

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?
Schritt für Schritt
  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
  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

AchtungpH und pOH vertauscht oder falsch verrechnet

So nicht
Natronlauge mit c = 0,001 mol/L hat pH 3.
So richtig
pOH = 3, also pH = 14 − 3 = 11.

Prüfe, ob die Lösung sauer oder basisch ist, und schätze danach den pH-Wert über oder unter 7.

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
    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?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 3.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
    Ergebnis:
    1000
  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 = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 200,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,2000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0250 L = 0,20 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,2000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0250 L = 0,20 mol/L
Ergebnis:
0,20 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 Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 40,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0400 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0400 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
  2. ●17
    10,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 8,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 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 hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 3,2. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
Schritt für Schritt
  1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
  2. pOH = 14 − 3,2.
  3. pOH = 10,8
  1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
  2. pOH = 14 − 3,2.
  3. pOH = 10,8
Ergebnis:
10,8

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
    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 Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 10,6. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 10,6.
    3. pOH = 3,4
    Ergebnis:
    3,4

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

Flusssäure (pKs = 3,14) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
Schritt für Schritt
  1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
  2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
  3. pH = pKs = 3,14
  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

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → NH₄⁺ und CO₃²⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → NH₄⁺ und NH₃

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Das Hydrogencarbonat-Ion (pKs = 10,33) 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 = 10,33
    Ergebnis:
    10,33
  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. NH₄⁺ und NH₃
    Ergebnis:
    NH₄⁺ und NH₃
  3. ★24
    Das Ammonium-Ion (pKs = 9,25) 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 = 9,25
    Ergebnis:
    9,25

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 Aluminiumchlorid (AlCl₃)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt 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 Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab, das Chlorid-Ion reagiert nicht.
  3. Also: sauer.
Ergebnis:
Sauer, das Kation gibt Protonen ab

AchtungFalsches Ion für die Reaktion mit Wasser verantwortlich gemacht

So nicht
Natrium-Ionen reagieren mit Wasser und machen die Lösung basisch.
So richtig
Natrium-Ionen reagieren nicht mit Wasser. Das Acetat-Ion nimmt Protonen auf und macht die Lösung basisch.

Frag dich bei jedem Ion: Stammt es aus einer starken oder aus einer schwachen Säure oder Base?

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Phosphorsäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 2,16, 7,21, 12,32. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    So fängst du an:
    Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    Lösung zeigen
    1. Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    2. Der pKs-Wert wächst von Stufe zu Stufe.
    3. Die erste Stufe hat den kleinsten Wert: 2,16.
    Ergebnis:
    2,16
  2. ●26
    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
    Warum reagiert eine Lösung von Aluminiumchlorid sauer?
    Lösung zeigen
    1. Al³⁺ ist von sechs Wassermolekülen umgeben.
    2. Die positive Ladung zieht Elektronen aus den Wassermolekülen.
    3. Daher gibt der Aquakomplex Protonen ab: sauer.
    Ergebnis:
    Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●28
    Warum ist Ammoniak eine Base, obwohl das Molekül keine Hydroxidgruppe enthält?
    Lösung zeigen
    1. Eine Base ist ein Protonenakzeptor.
    2. Dafür braucht sie ein freies Elektronenpaar.
    3. Das Stickstoffatom im Ammoniak hat eines.
    Ergebnis:
    Das Stickstoffatom hat ein freies Elektronenpaar und nimmt ein Proton auf
  2. ●29
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Bromid-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Bromid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus
  3. ●30
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺?
    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)
  4. ●31
    Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 0,001 mol/L protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert bei 25 Grad Celsius?
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 0,001 mol/L = 10⁻³ mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : 10⁻³ mol/L = 10⁻¹¹ mol/L.
    3. pH = 11
    Ergebnis:
    11
  5. ●32
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0120 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 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
    In der Protolyse HNO₃ + NH₃ → NO₃⁻ + NH₄⁺ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat NH₃?
    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 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
    Ergebnis:
    Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

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

    36
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Ammonium-Ionen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Beim Erwärmen mit Lauge entweicht ein stechend riechendes Gas, das Indikatorpapier bläut

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

    37
    Für salpetrige Säure gilt pKs = 3,35. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,5 · 10⁻⁴ mol/L

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

    38
    Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,0005 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,30

  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 = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 40,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    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 der Essigsäure (pKs = 4,76) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,005 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,5

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

    41
    Das Ammonium-Ion (pKs = 9,25) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    9,25

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

    42
    Chloressigsäure (pKs = 2,9) ist stärker als Essigsäure (pKs = 4,8). Wie lässt sich das erklären?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion

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. Base, es nimmt ein Proton auf
  4. Ampholyte, sie wirken je nach Partner als Säure oder Base
  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 versetzen, das entweichende Ammoniak färbt feuchtes Indikatorpapier blau
  8. Oxonium-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. Ks = c(H₃O⁺) · c(NH₃) : c(NH₄⁺)
  11. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. Es enthält je 10⁻⁷ mol/L Oxonium- und Hydroxid-Ionen
  14. 1000
  15. 5
  16. 0,20 mol/L
  17. 0,080 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 2,6
  20. 9,25
  21. 3,4
  22. 10,33
  23. NH₄⁺ und NH₃
  24. 9,25
  25. 2,16
  26. Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Das Stickstoffatom hat ein freies Elektronenpaar und nimmt ein Proton auf
  29. Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus
  30. Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA)
  31. 11
  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. Beim Erwärmen mit Lauge entweicht ein stechend riechendes Gas, das Indikatorpapier bläut
  37. 4,5 · 10⁻⁴ mol/L
  38. 3,30
  39. 0,20 mol/L
  40. 3,5
  41. 9,25
  42. Das Chloratom zieht Elektronen an und stabilisiert das Anion