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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 CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat CO₃²⁻?
Schritt für Schritt
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. CO₃²⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. CO₃²⁻ gewinnt ein Proton: Base.
  1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
  2. CO₃²⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
  3. CO₃²⁻ 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 H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂PO₄⁻?
    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. H₂PO₄⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. H₂PO₄⁻ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Protolyse CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + 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 HCO₃⁻ 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 F⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    So fängst du an:
    Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Nur das zweite Merkmal: Base.
    Ergebnis:
    Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  2. ●5
    Das Teilchen HSO₃⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    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
  3. ★6
    Das Teilchen CO₃²⁻ 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

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

Zu einer farblosen Lösung wird Silbernitratlösung gegeben. Es fällt ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Salpetersäure nicht löst. Welches Ion enthält die Lösung?
Schritt für Schritt
  1. Silbernitrat fällt Halogenide und Carbonat.
  2. Silbercarbonat löst sich in Säure.
  3. Ein weißer Niederschlag, der bleibt, ist Silberchlorid.
  1. Silbernitrat fällt Halogenide und Carbonat.
  2. Silbercarbonat löst sich in Säure.
  3. Ein weißer Niederschlag, der bleibt, ist Silberchlorid.
Ergebnis:
Chlorid-Ionen

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
    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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit Silbernitratlösung fällt ein gelber, in Salpetersäure unlöslicher Niederschlag aus.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Bromid-Ionen.
    Ergebnis:
    Bromid-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 NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und NH₃.
  2. Im Nenner steht das Edukt NH₄⁺.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  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⁺)

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 Milchsäure gilt pKs = 3,86. 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 3,86.
    3. Ks = 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    1,4 · 10⁻⁴ mol/L
  2. ●11
    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
  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

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?
Schritt für Schritt
  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
  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

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
    Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    So fängst du an:
    Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
    2. pH = −lg 0,01.
    3. pH = 2,00
    Ergebnis:
    2,00
  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

10,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 4,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0040 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 L = 0,080 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0040 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 L = 0,080 mol/L
Ergebnis:
0,080 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 = 0,050 mol/L titriert. Verbraucht werden 40,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0400 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,050 mol/L · 0,0400 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,10 mol/L
    Ergebnis:
    0,10 mol/L
  2. ●17
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 6,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,20 mol/L · 0,0060 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  3. ★18
    25,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 60,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0600 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0250 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 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 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?
    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 0,005) = ½ · (4,76 + 2,30).
    3. pH ≈ 3,5
    Ergebnis:
    3,5
  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. H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻
  1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
  2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
  3. H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻
Ergebnis:
H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → CH₃COOH und C₆H₅COO⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻

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

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Eine schwache Säure wird mit Natronlauge titriert. Was gilt am Halbäquivalenzpunkt?
    So fängst du an:
    Die Hälfte der Säure ist zu A⁻ geworden.
    Lösung zeigen
    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
  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

Chloressigsäure (pKs = 2,9) ist stärker als Essigsäure (pKs = 4,8). Wie lässt sich das erklären?
Schritt für Schritt
  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.
  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

AchtungSubstituenteneffekt auf die Acidität falsch gedeutet

So nicht
Das Chloratom schiebt Elektronen zum Carboxylat und macht die Säure schwächer.
So richtig
Chlor zieht Elektronen an, verteilt die negative Ladung des Anions und macht die Säure stärker.

Zeichne die Pfeile der Elektronenverschiebung in der Chloressigsäure ein.

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Kohlensäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 6,35, 10,33. 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: 6,35.
    Ergebnis:
    6,35
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Aluminiumchlorid (AlCl₃)?
    Lösung zeigen
    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
  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
    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
  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. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett.
    Ergebnis:
    Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett
  3. ●30
    Bariumhydroxid-Lösung hat die Konzentration c(Ba(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
  4. ●31
    10,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 15,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0150 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 L = 0,15 mol/L
    Ergebnis:
    0,15 mol/L
  5. ●32
    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
  6. ●33
    Essigsäure (pKs = 4,76) 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 = 4,76
    Ergebnis:
    4,76

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 H₂S + OH⁻ → HS⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂S?
    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 F⁻ 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? Beim Ansäuern sprudelt es, und das Gas lässt Kalkwasser milchig werden.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Carbonat-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
    Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 0,1 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,00

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

    39
    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
    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 = 0,2 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,7

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    HCOOH und HCOO⁻

  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 ersten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,21

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. Säure, es gibt ein Proton ab
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  5. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  6. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  7. Carbonat-Ionen
  8. Bromid-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
  11. 4
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 2,00
  14. 2,70
  15. 5
  16. 0,10 mol/L
  17. 0,12 mol/L
  18. 0,12 mol/L
  19. 3,5
  20. 9,25
  21. 11,1
  22. Es gilt pH = pKs, weil c(HA) = c(A⁻) ist
  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. 6,35
  26. Sauer, das Kation gibt Protonen ab
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Base, es nimmt ein Proton auf
  29. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett
  30. 12,00
  31. 0,15 mol/L
  32. 5,6
  33. 4,76
  34. Säure, es gibt ein Proton ab
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Carbonat-Ionen
  37. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  38. 1,00
  39. 0,20 mol/L
  40. 2,7
  41. HCOOH und HCOO⁻
  42. 4,21