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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 HCO₃⁻ + H₃O⁺ → H₂CO₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  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.
  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

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 NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat NH₄⁺?
    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. NH₄⁺ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. NH₄⁺ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●2
    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
  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

Welches Strukturmerkmal macht ein Teilchen zum Protonendonator?
Schritt für Schritt
  1. Ein Donator gibt ein Proton ab.
  2. Dafür muss ein Wasserstoffatom vorhanden sein.
  3. Es ist so polar gebunden, dass es sich als Proton löst.
  1. Ein Donator gibt ein Proton ab.
  2. Dafür muss ein Wasserstoffatom vorhanden sein.
  3. Es ist so polar gebunden, dass es sich als Proton löst.
Ergebnis:
Ein polar gebundenes Wasserstoffatom

AchtungBase nur als Stoff mit Hydroxid-Ionen verstanden

So nicht
Ammoniak ist keine Base, weil es keine Hydroxidgruppe enthält.
So richtig
Eine Base ist ein Protonenakzeptor. Ammoniak nimmt ein Proton auf und ist deshalb eine Base.

Frag dich: An welchem Atom des Teilchens sitzt ein freies Elektronenpaar, an das sich ein Proton binden kann?

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
    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
  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
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot.
    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 Oxonium-Ionen.
    Ergebnis:
    Oxonium-Ionen
  2. ●8
    Zu einer farblosen Lösung wird Silbernitratlösung gegeben. Es fällt ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Salpetersäure nicht löst. Welches Ion enthält die Lösung?
    Lösung zeigen
    1. Silbernitrat fällt Halogenide und Carbonat.
    2. Silbercarbonat löst sich in Säure.
    3. Ein weißer Niederschlag, der bleibt, ist Silberchlorid.
    Ergebnis:
    Chlorid-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 HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CO₃²⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HCO₃⁻.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  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⁻)

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 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
    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
    Für Flusssäure gilt pKs = 3,14. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 3,14.
    3. Ks = 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    7,2 · 10⁻⁴ mol/L

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

Eine Salzsäure hat die Konzentration c(HCl) = 0,01 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert?
Schritt für Schritt
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
  2. pH = −lg 0,01.
  3. pH = 2
  1. Vollständige Protolyse: c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L.
  2. pH = −lg 0,01.
  3. pH = 2
Ergebnis:
2

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
    Kalkwasser hat die Konzentration c(Ca(OH)₂) = 0,02 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?
    So fängst du an:
    c(OH⁻) = 2 · 0,02 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 2 · 0,02 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 12,60
    Ergebnis:
    12,60
  2. ●14
    Lösung A hat den pH-Wert 4, 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: 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

20,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 12,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0120 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0120 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
  3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0200 L = 0,12 mol/L
Ergebnis:
0,12 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 = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 10,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0100 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0100 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
    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
  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 Ameisensäure (pKs = 3,75) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,2 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
Schritt für Schritt
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,75 − lg 0,2) = ½ · (3,75 + 0,70).
  3. pH ≈ 2,2
  1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
  2. pH = ½ · (3,75 − lg 0,2) = ½ · (3,75 + 0,70).
  3. pH ≈ 2,2
Ergebnis:
2,2

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 Propansäure (pKs = 4,87) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,01 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 · (4,87 − lg 0,01) = ½ · (4,87 + 2,00).
    3. pH ≈ 3,4
    Ergebnis:
    3,4
  2. ●20
    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
    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
  3. ★21
    Eine Lösung der Propansäure (pKs = 4,87) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,02 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 0,02) = ½ · (4,87 + 1,70).
    3. pH ≈ 3,3
    Ergebnis:
    3,3

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

AchtungPuffer aus dem falschen Paar zusammengesetzt

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → HNO₃ und NO₃⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → NH₄⁺ und NH₃

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
    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
    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
    Malonsäure protolysiert in 2 Stufen mit den pKs-Werten 2,83, 5,69. 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: 2,83.
    Ergebnis:
    2,83
  2. ●26
    Citronensäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 3,13, 4,76, 6,40. Bestimme: Welcher Wert gehört zur letzten Stufe?
    Lösung zeigen
    1. Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    2. Der pKs-Wert wächst von Stufe zu Stufe.
    3. Die letzte Stufe hat den größten Wert: 6,40.
    Ergebnis:
    6,40
  3. ★27
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumcarbonat (Na₂CO₃)?
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Das Carbonat-Ion ist eine Base und nimmt Protonen auf, das Natrium-Ion reagiert nicht.
    3. Also: basisch.
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

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 HNO₃?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. HNO₃ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. HNO₃ verliert ein Proton: Säure.
    Ergebnis:
    Säure, es gibt ein Proton ab
  2. ●29
    Das Teilchen C₆H₅NH₃⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    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 Oxonium-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot.
    Ergebnis:
    Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot
  4. ●31
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HCN + H₂O ⇌ CN⁻ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und CN⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HCN.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(CN⁻) : c(HCN)
  5. ●32
    Lösung A hat den pH-Wert 5, Lösung B den pH-Wert 8. 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
  6. ●33
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 4,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,20 mol/L · 0,0040 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,080 mol/L
    Ergebnis:
    0,080 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 Reaktion CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei korrespondierende Paare. Welche sind es?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O

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

    35
    Das Teilchen NH₄⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen

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

    36
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Nach Zugabe von Silbernitratlösung fällt ein weißer Niederschlag aus, der in Salpetersäure unlöslich ist.
    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 NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(NH₃) : c(NH₄⁺)

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

    38
    Perchlorsäure hat die Konzentration c(HClO₄) = 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
    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 hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 13,1. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,9

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

    41
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    H₂CO₃ und HCO₃⁻

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

    42
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Natriumacetat (CH₃COONa)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Basisch, das Anion nimmt Protonen auf

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. Das Stickstoffatom hat ein freies Elektronenpaar und nimmt ein Proton auf
  6. Die Aufnahme eines Protons gelingt dem Ion leichter als die Abgabe
  7. Oxonium-Ionen
  8. Chlorid-Ionen
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. 1,3 · 10⁻⁵ mol/L
  11. 4
  12. 7,2 · 10⁻⁴ mol/L
  13. 12,60
  14. 1000
  15. 5
  16. 0,10 mol/L
  17. Grün, die Mischfarbe im Neutralen
  18. 0,10 mol/L
  19. 3,4
  20. 2,6
  21. 3,3
  22. 4,87
  23. NH₄⁺ und NH₃
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. 2,83
  26. 6,40
  27. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf
  28. Säure, es gibt ein Proton ab
  29. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  30. Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot
  31. Ks = c(H₃O⁺) · c(CN⁻) : c(HCN)
  32. 1000
  33. 0,080 mol/L
  34. CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  35. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  36. Chlorid-Ionen
  37. Ks = c(H₃O⁺) · c(NH₃) : c(NH₄⁺)
  38. 2,70
  39. 0,20 mol/L
  40. 0,9
  41. H₂CO₃ und HCO₃⁻
  42. Basisch, das Anion nimmt Protonen auf