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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

Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser: HCl + H₂O → Cl⁻ + H₃O⁺. Welche Rolle hat das Wassermolekül in dieser Reaktion?
Schritt für Schritt
  1. Das HCl-Molekül gibt ein Proton ab.
  2. Das Wassermolekül nimmt es auf.
  3. Wer ein Proton aufnimmt, ist die Base.
  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

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 CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + 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 H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂PO₄⁻?
    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
  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 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 H₂O 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 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

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 Bromid-Ionen?
Schritt für Schritt
  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.
  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

AchtungReagenz und Probe verwechselt

So nicht
Salzsäure zugeben und im Ergebnis Chlorid nachweisen.
So richtig
Das Reagenz bringt eigene Ionen mit. Wer Chlorid nachweisen will, setzt kein Chlorid zu.

Nenne zu jeder Beobachtung, ob das Ion aus der Probe oder aus dem Reagenz stammt.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Mit verdünnter Salzsäure entweicht ein Gas, das Kalkwasser trübt.
    So fängst du an:
    Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    Lösung zeigen
    1. Die Beobachtung wird den Nachweisreaktionen zugeordnet.
    2. Niederschlagsfarbe und Löslichkeit entscheiden.
    3. Das gehört zu Carbonat-Ionen.
    Ergebnis:
    Carbonat-Ionen
  2. ●8
    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

Für Milchsäure gilt pKs = 3,86. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
Schritt für Schritt
  1. Ks = 10 hoch minus pKs.
  2. Ks = 10 hoch minus 3,86.
  3. Ks = 1,4 · 10⁻⁴ mol/L
  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

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 Propansäure gilt pKs = 4,87. 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 4,87.
    3. Ks = 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
    Ergebnis:
    1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  2. ●11
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HF + H₂O ⇌ F⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und F⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HF.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  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

Bariumhydroxid-Lösung hat die Konzentration c(Ba(OH)₂) = 0,002 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?
Schritt für Schritt
  1. c(OH⁻) = 2 · 0,002 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 11,60
  1. c(OH⁻) = 2 · 0,002 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 11,60
Ergebnis:
11,60

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
    Lösung A hat den pH-Wert 5, Lösung B den pH-Wert 6. 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: 1.
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 1.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 1 = 10
    Ergebnis:
    10
  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
    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 Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,5 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0125 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 L = 0,25 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0125 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0100 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
    25,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 10,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    So fängst du an:
    n(Ba(OH)₂) = 0,10 mol/L · 0,0100 L.
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,10 mol/L · 0,0100 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,080 mol/L
    Ergebnis:
    0,080 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 25,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0250 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
    3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0100 L = 0,25 mol/L
    Ergebnis:
    0,25 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

Die Base Ammoniak hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist der pKs-Wert des korrespondierenden Ammonium-Ions bei 25 Grad Celsius?
Schritt für Schritt
  1. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.
  2. pKs = 14 − 4,75.
  3. pKs = 9,25
  1. Für ein korrespondierendes Paar gilt pKs + pKB = 14.
  2. pKs = 14 − 4,75.
  3. pKs = 9,25
Ergebnis:
9,25

AchtungStark mit konzentriert verwechselt

So nicht
Essigessenz ist eine starke Säure, weil sie konzentriert ist.
So richtig
Essigsäure ist schwach: Nur wenige Moleküle geben H⁺ ab. Konzentriert heißt nur: viel davon gelöst.

Nimm zwei Lösungen gleicher Konzentration: Welche hat den kleineren pH-Wert?

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 10,6. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    So fängst du an:
    Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    Lösung zeigen
    1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
    2. pOH = 14 − 10,6.
    3. pOH = 3,4
    Ergebnis:
    3,4
  2. ●20
    Warum hat eine Essigsäure mit c = 0,1 mol/L einen höheren pH-Wert als eine Salzsäure gleicher Konzentration?
    Lösung zeigen
    1. Essigsäure ist eine schwache Säure.
    2. Essigsäure protolysiert nur zu einem kleinen Teil.
    3. Daher entstehen weniger Oxonium-Ionen und der pH-Wert ist höher.
    Ergebnis:
    Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  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

Zu einem Acetat-Puffer aus Essigsäure und Natriumacetat wird eine kleine Menge Salzsäure gegeben. Was geschieht?
Schritt für Schritt
  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.
  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

AchtungPuffer aus dem falschen Paar zusammengesetzt

So nicht
HCl und Cl⁻ bilden einen Puffer.
So richtig
Ein Puffer braucht eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base, zum Beispiel CH₃COOH und CH₃COO⁻.

Prüfe, ob die Säure schwach ist und ob die Base genau zu ihr gehört.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Propansäure (pKs = 4,87) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    So fängst du an:
    Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
    Lösung zeigen
    1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
    2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
    3. pH = pKs = 4,87
    Ergebnis:
    4,87
  2. ●23
    Blausäure (pKs = 9,21) 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 = 9,21
    Ergebnis:
    9,21
  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
    Eine Natriumacetat-Lösung reagiert schwach basisch. Welche Reaktion ist dafür verantwortlich?
    So fängst du an:
    Das Acetat-Ion ist die Base der schwachen Essigsäure.
    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⁻
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumchlorid (NaCl)?
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Natrium-Ionen und Chlorid-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 CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. H₃O⁺ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. H₃O⁺ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●29
    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. ●30
    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
  4. ●31
    Essigsäure hat den pKs-Wert 4,76, Ameisensäure den pKs-Wert 3,75. Welche Säure ist stärker?
    Lösung zeigen
    1. pKs = −lg Ks.
    2. Ein kleinerer pKs-Wert heißt ein größeres Ks.
    3. Ameisensäure ist deshalb die stärkere Säure.
    Ergebnis:
    Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner
  5. ●32
    Warum ist reines Wasser bei 25 Grad Celsius neutral, obwohl es Ionen enthält?
    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
  6. ●33
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 15,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0150 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,15 mol/L
    Ergebnis:
    0,15 mol/L

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 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₂O?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab

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

    35
    Das Teilchen PO₄³⁻ 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? Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Chlorid-Ionen

  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 HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)

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

    38
    Bromwasserstoffsäure hat die Konzentration c(HBr) = 0,002 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,70

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

    39
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,12 mol/L

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

    40
    Warum hat eine Essigsäure mit c = 0,1 mol/L einen höheren pH-Wert als eine Salzsäure gleicher Konzentration?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    CH₃COOH und CH₃COO⁻

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

    42
    Kohlensäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 6,35, 10,33. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    6,35

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. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  5. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  6. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  7. Carbonat-Ionen
  8. Oxonium-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  11. Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 10
  14. 2
  15. 5
  16. 0,080 mol/L
  17. 0,25 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. 3,4
  20. Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  21. 11,1
  22. 4,87
  23. 9,21
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
  26. Neutral, kein Ion reagiert mit Wasser
  27. Das Sauerstoffatom stellt das bindende Elektronenpaar bereit
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  30. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen blau bis violett
  31. Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner
  32. Es enthält je 10⁻⁷ mol/L Oxonium- und Hydroxid-Ionen
  33. 0,15 mol/L
  34. Säure, es gibt ein Proton ab
  35. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  36. Chlorid-Ionen
  37. Ks = c(H₃O⁺) · c(CO₃²⁻) : c(HCO₃⁻)
  38. 2,70
  39. 0,12 mol/L
  40. Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  41. CH₃COOH und CH₃COO⁻
  42. 6,35