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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 H₂O?
Schritt für Schritt
  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.
  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

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 HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat HCO₃⁻?
    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. HCO₃⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HCO₃⁻ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    In der Protolyse CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat CN⁻?
    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
  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 PO₄³⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
Schritt für Schritt
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
Ergebnis:
Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

AchtungNur ein Strukturmerkmal beachtet

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Das Teilchen HCOO⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    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 HCO₃⁻ 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
    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 Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
Schritt für Schritt
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Chlorid-Ionen.
  1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
  2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
  3. Das gehört zu Chlorid-Ionen.
Ergebnis:
Chlorid-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? Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist.
    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 Chlorid-Ionen.
    Ergebnis:
    Chlorid-Ionen
  2. ●8
    Wie weist man Ammonium-Ionen in einer Lösung nach?
    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
  3. ★9
    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

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

MerkenSäurekonstante

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

Je kleiner pKs, desto stärker die Säure.

BeispielMassenwirkungsgesetz, Säurekonstante und pKs-Wert

Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HPO₄²⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt H₂PO₄⁻.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und HPO₄²⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt H₂PO₄⁻.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
Ergebnis:
Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)

AchtungWasser steht im Ausdruck der Säurekonstante

So nicht
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : (c(HA) · c(H₂O))
So richtig
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA). Die Konzentration von Wasser ist praktisch konstant und steckt schon in Ks.

Setze das Lösungsmittel Wasser nicht in den Bruch und schreibe dann den Ausdruck für Ks.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Für 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
    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
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CO₃²⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HCO₃⁻.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)

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

Salpetersäure hat die Konzentration c(HNO₃) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
  2. pH = −lg 0,002.
  3. pH = 2,70
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,002 mol/L.
  2. pH = −lg 0,002.
  3. pH = 2,70
Ergebnis:
2,70

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
    Lösung A hat den pH-Wert 1, Lösung B den pH-Wert 5. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    So fängst du an:
    Unterschied der pH-Werte: 4.
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 4.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 4 = 10.000
    Ergebnis:
    10.000
  2. ●14
    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
  3. ★15
    Lösung A hat den pH-Wert 3, Lösung B den pH-Wert 7. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 4.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 4 = 10.000
    Ergebnis:
    10.000

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 Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 5,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
Schritt für Schritt
  1. n(KOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
  3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0100 L = 0,10 mol/L
  1. n(KOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
  3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0100 L = 0,10 mol/L
Ergebnis:
0,10 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
    25,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 50,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    So fängst du an:
    n(KOH) = 0,10 mol/L · 0,0500 L.
    Lösung zeigen
    1. n(KOH) = 0,10 mol/L · 0,0500 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HNO₃) · 1 = n(KOH) · 1.
    3. c(HNO₃) = n(HNO₃) : 0,0250 L = 0,20 mol/L
    Ergebnis:
    0,20 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 5,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,050 mol/L
    Ergebnis:
    0,050 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 = 0,1 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 · (3,14 − lg 0,1) = ½ · (3,14 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,1
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,14 − lg 0,1) = ½ · (3,14 + 1,00).
  3. pH ≈ 2,1
Ergebnis:
2,1

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 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?
    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 · (3,14 − lg 0,2) = ½ · (3,14 + 0,70).
    3. pH ≈ 1,9
    Ergebnis:
    1,9
  2. ●20
    Eine Lösung der Propansäure (pKs = 4,87) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,05 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 · (4,87 − lg 0,05) = ½ · (4,87 + 1,30).
    3. pH ≈ 3,1
    Ergebnis:
    3,1
  3. ★21
    Eine Ammoniaklösung mit c₀ = 0,10 mol/L hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert nach der Näherung für schwache Basen (eine Nachkommastelle)?
    Lösung zeigen
    1. Näherung: pOH = ½ · (pKB − lg c₀) = ½ · (4,75 + 1,00) = 2,875.
    2. pH = 14 − pOH.
    3. pH = 14 − 2,875 ≈ 11,1
    Ergebnis:
    11,1

8Ich deute Titrationskurven und erkläre Puffersysteme (Leistungskurs).

MerkenKurve und Puffer

Am Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs.

Ein Puffer aus schwacher Säure und ihrer Base fängt Säure und Lauge ab.

BeispielTitrationskurven und Puffersysteme

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 → H₂PO₄⁻ und CH₃COO⁻
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
    Essigsäure (pKs = 4,76) 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 = 4,76
    Ergebnis:
    4,76
  2. ●23
    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
  3. ★24
    Ein Puffer enthält Essigsäure und Acetat im Stoffmengenverhältnis 1 : 1. Auf welchen Wert stellt sich der pH-Wert ein?
    Lösung zeigen
    1. Bei c(HA) = c(A⁻) kürzt sich der Bruch im Ks-Ausdruck.
    2. Es bleibt c(H₃O⁺) = Ks.
    3. Also gilt pH = pKs = 4,76.
    Ergebnis:
    Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8

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

MerkenStufen, Substituenten, Salze

Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

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

BeispielMehrstufige Protolyse, induktiver Effekt und Salzlösungen

Phosphorsäure protolysiert in drei Stufen mit den pKs-Werten 2,2, 7,2 und 12,3. Warum werden die Stufen immer schwächer?
Schritt für Schritt
  1. Die erste Stufe gibt das Proton aus einem neutralen Molekül ab.
  2. Die späteren Stufen geben es aus Anionen ab.
  3. Das negativ geladene Teilchen hält das Proton fester.
  1. Die erste Stufe gibt das Proton aus einem neutralen Molekül ab.
  2. Die späteren Stufen geben es aus Anionen ab.
  3. Das negativ geladene Teilchen hält das Proton fester.
Ergebnis:
Ein Proton lässt sich aus einem negativen Teilchen schwerer abspalten

AchtungStärke der Protolysestufen falsch begründet

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

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

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃)?
    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 Hydrogencarbonat-Ion nimmt Protonen leichter auf, als es sie abgibt.
    3. Also: basisch.
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  2. ●26
    Eine Natriumacetat-Lösung reagiert schwach basisch. Welche Reaktion ist dafür verantwortlich?
    Lösung zeigen
    1. Das Acetat-Ion ist die Base der schwachen Essigsäure.
    2. Es nimmt ein Proton aus Wasser auf.
    3. Dabei bleibt ein Hydroxid-Ion übrig.
    Ergebnis:
    CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
  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
    Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser: HCl + H₂O → Cl⁻ + H₃O⁺. Welche Rolle hat das Wassermolekül in dieser Reaktion?
    Lösung zeigen
    1. Das HCl-Molekül gibt ein Proton ab.
    2. Das Wassermolekül nimmt es auf.
    3. Wer ein Proton aufnimmt, ist die Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  2. ●29
    Wasser kann Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Wie nennt man solche Teilchen?
    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
  3. ●30
    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 entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst
  4. ●31
    Für Propansäure gilt pKs = 4,87. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 4,87.
    3. Ks = 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
    Ergebnis:
    1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  5. ●32
    Bromthymolblau ist in Säuren gelb und in Laugen blau. Welche Farbe zeigt es am Äquivalenzpunkt der Titration von Salzsäure mit Natronlauge?
    Lösung zeigen
    1. Der Indikator hat zwei Farbformen.
    2. Im Neutralen liegen beide nebeneinander vor.
    3. Die Mischfarbe von gelb und blau ist grün.
    Ergebnis:
    Grün, die Mischfarbe im Neutralen
  6. ★33
    In der Protolyse CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + 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

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
    Welches Teilchen bildet mit dem Ammonium-Ion NH₄⁺ ein korrespondierendes Säure-Base-Paar?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    NH₃, das Ammoniak

  2. Ich leite aus dem Bau eines Teilchens ab, ob es als Säure, als Base oder amphoter wirkt.

    35
    Das Teilchen CN⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    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 Oxonium-Ionen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot

  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 H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)

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

    38
    Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 0,05 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,30

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

    39
    10,0 mL Salpetersäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Kalilauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 7,5 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HNO₃)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,15 mol/L

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

    40
    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?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,6

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    NH₄⁺ und NH₃

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

    42
    Citronensäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 3,13, 4,76, 6,40. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,13

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. 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. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Chlorid-Ionen
  8. Mit Natronlauge versetzen, das entweichende Ammoniak färbt feuchtes Indikatorpapier blau
  9. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier tiefblau
  10. 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
  11. 6,3 · 10⁻⁵ mol/L
  12. Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)
  13. 10.000
  14. 2
  15. 10.000
  16. 0,20 mol/L
  17. 0,050 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 1,9
  20. 3,1
  21. 11,1
  22. 4,76
  23. 9,25
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  26. CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Base, es nimmt ein Proton auf
  29. Ampholyte, sie wirken je nach Partner als Säure oder Base
  30. Mit Silbernitratlösung entsteht ein gelblicher Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung kaum löst
  31. 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  32. Grün, die Mischfarbe im Neutralen
  33. Säure, es gibt ein Proton ab
  34. NH₃, das Ammoniak
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot
  37. Ks = c(H₃O⁺) · c(HPO₄²⁻) : c(H₂PO₄⁻)
  38. 1,30
  39. 0,15 mol/L
  40. 2,6
  41. NH₄⁺ und NH₃
  42. 3,13