Das Chemische Gleichgewicht

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1 9 Quantitative Behandlung der äure ure-base- Gleichgewichte Bei der Prtlyse-Reaktin äure H O H O Base gilt (Gleichgewicht: Wenn die äure stark ist, dann ist ihre knjugierte Base schwach. Die tärke vn äure und Base kann quantitativ über deren Prtlysegrad α angegeben werden. Der Prtlysegrad gibt den Anteil der ubstanz an, der dissziiert ist. α c(ho c (äure bzw. : α c(oh c (Base c : Ausgangsknzentratin c : aktuelle Knzentratin (Gleichgewicht Chemie im Nebenfach Zu Berechnung vn, K B, p, pk B, ph, poh,,... Ist es zweckmäß äßig, äuren bzw. Basen in drei Kategrien einzuteilen. a tarke äuren (bzw. starke Basen Merkmal: ie dissziieren vllständig in Wasser. Flglich gilt: c(h O c (äure ure c(oh - c (Base Beispiele: Einbasige äure: HCl Einbasige Base: NaOH Rechenbeispiel: : Gesucht: ph-wert einer H O -Lösung. Gegeben: c (H O, ml L - (HO -, ml L - H O ist eine zweibasige äure. Chemie im Nebenfach

2 Primäre re Prtlyse Anfang (ml L - Im Gleichgewicht (ml L - ekundäre Prtlyse Anfang (ml L - H O H O H O HO HO - H O H O O Im Gleichgewicht (ml L - (0 - x (0 - x x c(o (HO (x (0 x L 0 ml (0 x c(ho Es flgt: x 0, ml L - ph,85 c(h O 0 - x, ml L - Achtung: : Wenn nicht angegeben wird gilt: c(h O c (H O. Chemie im Nebenfach b chwache äuren (bzw. schwache Basen Merkmal: ie dissziieren nicht vllständig in Wasser, d.h. das Prtlysegleichgewicht liegt weder ganz auf der rechten nch ganz auf der linken eite. p bis 5; z.b. CH COOH, HCOOH, HCN,... Prtlyse-Reaktin Reaktin: HA(aq (aq H Ansatz: x c(a - c(h O Oder: K c(a c(ho x c (HA c(h O c x H O H O (aq A - (aq (c x x und x x - c 0 x c(h Bzw. für f r Basen: x O K K K c s c(oh KB KB KB c Chemie im Nebenfach s s

3 c ehr schwache äuren (bzw. sehr schwache Basen Merkmal: ie dissziieren nicht vllständig in Wasser, das Prtlysegleichgewicht liegt weitgehend auf der linken eite. Prtlyse-Reaktin Reaktin: HA(aq (aq H O H O (aq A - (aq Näherung: x c(a - c(h O c (HA c(h O smit c(ha c (HA c(a c(h O x c x c(ha c(ho x c(h O K c s x c ph lgc(h O (pk lgc Bzw. für f r sehr schwache Basen: poh lgc(oh (pk lgc B Chemie im Nebenfach 5 d Mehrbasige ysteme Die primäre, re, sekundäre der tertiäre re Prtlyse-Reaktinen können sehr unterschiedliche - (bzw. K B - Werte haben. Entsprechende Näherungen müssen u.a.bei ph-berechnungen angewandt werden. Pauling sche Regeln für f Oxsäuren des Typs (HO m E(O n - Regel : p 8 5n n: Anzahl der O-AtmeO n 0 p 8 z.b. HOCl (pk 7, n p z.b. HOClO (pk,0 n p - z.b. HOClO (pk -, - Regel : Mehrbasige äuren (m> Jede Prtlysestufe ändert den p - Wert um ca. 5 Einheiten, z.b. H O : p - p p Chemie im Nebenfach 6

4 e Verdünnungsgesetz bei Prtlyse-Reaktin Prtlyse-Reaktin Reaktin: Der Dissziatinsgrad α ist: mit: c(h O c(a - α c (HA c(h O c(a K c(ha c(ho HA(aq (aq H O H O (aq A - (aq α c c α c c(ho α c (HA Chemie im Nebenfach 7 α c α ist knstant, smit gilt: - α wächst, wenn c abnimmt - α, wenn c 0 α : 00% dissziiert, d.h. Übergang zu starken äuren uren! Daher gilt die vereinfachte Gleichung c(ho Ks c nur für α % Essigsäure ure: c 0, ml L - : α,% c 0,00 ml L - : α,5% 0 Zusammenhang zwischen und K B eines knjugierten äure ure-base-paares HA H O H O A - Für r eine beliebige äure HA mit der knjugierten Base A - gilt: äuredissziatin HA H O H O A - Basenreaktin A - HH O HA OH - c(h O c(a c(ha K K B c(ha c(oh c(a c(ho c(a c(ha c(oh K KB c(ho c(ha c(a c(oh Chemie im Nebenfach 8

5 Das Inenprdukt vn Wasser: K W K B c(h O c(oh - Die Gleichgewichtsknstante K W ist das Inenprdukt für Wasser. Der Zahlenwert ist: K W 0 - ml L - (bei T 5 C pk W p pk B Dies bedeutet: Ist grß,, s ist K B klein und umgekehrt. Die Feststellung, dass die knjugierte Base einer starken äure eine schwache Base ist, ist smit quantitativ belegt. ind in Aufgabenstellungen Angaben für f p, etc. gemacht, s sind dies implizit auch Angaben über pk B, K B usw. Chemie im Nebenfach 9 alzprtlyse alze dissziieren nach Auflösung in Wasser (im allgemeinen vllständig in Katinen und Aninen. Eigenschaften der resultierenden Lösungen: L Neutral: z.b.: auer: z.b.: Basisch: z.b.: Kmbinatinen NaCl, KBr, KNO, Ba(ClO,... NH Cl, FeBr, AlCl, NaH PO,... NaAc, NaNO, KCN, Na CO,... alze vn: starken äuren starken Basen: neutral starken äuren schwachen Basen: sauer schwachen äuren starken Basen: basisch schwachen äuren schwachen Basen: je nach,k B Chemie im Nebenfach 0

6 Erläuterungen: NH Ac : Neutral in wässriger w Lösung, L weil p (NH 9, und pkb (Ac - 9, NH CN : Basisch in wässriger w Lösung, L weil p (NH 9, und pkb (CN -,8 Vergleich NaH PO und Na HPO NaH PO NaH PO H O Na (aq H PO - (aq H PO - : äurediss.: H PO - HH O H O HPO - Basediss.. : H PO - HH O OH - 6, 0-8 > K B, H PO Flge: H -Inen werden mehr als OH - -Inen gebildet. Daher: Die Lösung L reagiert sauer! K B Chemie im Nebenfach Na HPO Na HPO H O Na (aq HPO - (aq HPO - : äurediss.: HPO - Basediss.. : HPO - H O H O PO - H O OH - H PO < K B, Flge: OH - -Inen werden mehr als H -Inen gebildet. Daher: Die Lösung L reagiert basisch! - K B Inen, die nicht weiter mit H O reagieren sind: - Aninen starker äuren, z.b.: ClO, Cl -, I -, NO -,... Katinen starker Basen, z.b.: Li, Na, K, Ca, Ba, r,... Ursache: Nivellierender Effekt des Wassers. Chemie im Nebenfach

7 ph-wertberechnung einer alzlösung: Gegeben: Natriumacetat in Wasser, Knzentratin c 0, ml L - ; p (HAc,7. Frage: Wie grß ist der ph-wert der Lösung? L alzprtlyse: Und: NaAc(aq (aq H O Na (aq Ac - (aq Ac - (aq H O OH - (aq HAc(aq (aq Es handelt sich um eine Base-Reaktin Reaktin. c(oh c(hac K B Da K c(ac B klein ist, gilt c(ac - c (Ac - pk B - p (HAc und c (OH - KB c (Ac - Es flgt: c(ohc - 0 5, bzw.: c(h O Und : ph 8,87 Chemie im Nebenfach äure Base - Titratin Allgemeines: Titratin: : Maßanalytisches analytisches Verfahren zur Knzentratinsbestimmung. Bei der äure-base-titratin unterscheidet man Fälle: F - Titratin einer starken äure mit einer starken Base. - Titratin einer schwachen äure mit einer starken Base (bzw. umgekehrt. - Titratin einer schwachen äure mit einer schwachen Base (bzw. umgekehrt. a Titratin starke äure mit starker Base Merkmale: - Die gebildeten alze gehen mit H O keine Prtlyse-Reaktin ein. - Der Äquivalenzpunkt liegt bei ph 7. 7 Chemie im Nebenfach

8 ph-wert Berechnung: - Vr Erreichen des Äquivalenzpunktes gilt: c(h O n(äure n(base V ges n: Mlzahlen Vges: : Gesamtvlumen der LösungL - Am Äquivalenzpunkt: ph 7 (Nur nch Eigendissziatin vn Wasser - Nach dem Äquivalenzpunkt: n(base n(äure c(oh ph pk W - poh V ges Chemie im Nebenfach 5 Titratinskurve 50 ml HCl (0,00 ml/l mit NaOH (0,00 ml/l. Chemie im Nebenfach 6

9 b Titratin schwacher äure mit starker Base Merkmale: - Der ph-wert durchläuft uft vr dem Erreichen des Äquivalenzpunktes den sg. Pufferbereich ( Pufferungskurve. - Die Titratinskurve hat zwei Wendepunkte: Bei ph p und am Äquivalenzpunkt. ph-wertberechnung Wertberechnung: Titratin Essigsäure (p (HAc,7; c 0, ml/l mit NaOH (c0, ml/l Ac - (aq H O OH - (aq HAc(aq (aq - Vr Beginn der Titratin: ph ½ (pk lgc,87 Vereinfachung erlaubt, da: <0 - und c(hac0, ml/l Chemie im Nebenfach 7 - Erster Wendepunkt: c(h O c(ac c(hac Ks c(ho Ks c(hac c(ac c(hac ph pks lg c(ac Wenn der Punkt mit c(hac c(ac - erreicht ist, dann gilt: ph p - Äquivalenzpunkt: Es liegt eine reine NaAc-Lösung vr (Base-Reaktin s.. NaAc(aq (aq H O Na (aq Ac - (aq Ac - (aq H O OH - (aq HAc(aq (aq poh ½ (pk B lgc Die Titratinskurve ergibt sich aus der tffmengenbilanz. c(hac ph pks lg c(ac Chemie im Nebenfach 8

10 Titratinskurve 50 ml Essigsäure (0,00 ml/l mit NaOH (0,00 ml/l. Chemie im Nebenfach 9 c Indikatren Organische Farbstffe, deren (sehr intensive Farbe in der Lösung vm ph-wert abhängt. Beispiele: Methylrange: rt bei ph<,; gelb bei ph>,5 Lackmus: rt bei ph<7; blau bei ph>7 Vrgang: Gleichgewicht: Hind H Ind - wbei Hind und Ind - unterschiedliche Farben besitzen. z.b. für f r Lackmus c(h (c(ind 7 K 0 ml L c(hind Oder: c(ind - /c(hind c(hind 0-7 /c(h Bei ph 5: c(ind - /c(hind c(hind 0-7 / 0-5 0,0 c(hind c(ind - Farbe: rt Bei ph 8: c(ind - /c(hind c(hind 0-7 / c(ind - 0 c(hind Farbe: blau Chemie im Nebenfach 0

11 Zusammenfassung ph- und poh-werte vn Brönsted nsted schenschen äuren bzw. Basenlösungen. sungen. Vereinfachungen zur Berechnung vn ph-werten ph (pk c(h O lgc K K K c Dissziatinsgrad α; ; Zusammenhang zwischen α,,, c. alzprtlyse. äure-base-titratin. Chemie im Nebenfach

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