8. Säuren und Basen II

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1 8. Säuren und Basen II ein SOL Leitprogramm Arbeitsanleitung An diesem Leitprogramm arbeiten Sie weitgehend selbständig. Fragen, Unklarheiten und spezielle Aufträge werden zu viert in einer Lerngruppe behandelt. Das Programm enthält folgende Aktivitäten: L Leseaufgabe A Aufgabenblock. Die angegeben Aufgaben müssen auf dem Aufgabenblatt am Schluss des Kapitels gelöst werden E Experimente. Sie führen die Experimente zu zweit mit dem durch die Lehrkraft zur Verfügung gestellten Material durch. Protokollieren Sie ihre Beobachtungen eigenständig und werten Sie die Ergebnisse in Bezug auf die bearbeitete Theorie aus. Stellen Sie wo nötig die Reaktionsgleichungen auf Kleine Unterrichtseinheit durch die Lehrkraft G Gruppenauftrag: Gestaltung einer Unterrichtseinheit (!) Zusatzaufgabe für Schnelle. Muss nicht zwingend gelöst werden Halten Sie sich möglichst an die vorgegebene Reihenfolge der Aktivitäten. Experimente können aus Arbeitsplatz- und Materialgründen auch zu einem etwas späteren Zeitpunkt gemacht werden. Die für die einzelnen Kapitel zur Verfügung stehenden Zeitfenster, werden durch die Lehrkraft vorgängig kommuniziert. Damit Sie kontrollieren können, ob Sie das Gelernte auch verstanden haben, ist die Weiterarbeit am nächsten Kapitel erst gestattet, wenn die Lehrkraft das OK zu den Aufgaben gegeben hat. Alles klar? Dann beginnen Sie mit Kapitel 8.1 1

2 8.1 Grundlagen Säuren und Basen Ziel: - Sie wissen wie Säuren und Basen gemäss den Theorien von Brønsted und Arrhenius definiert sind. - Sie können erklären was bei einer Säure-Base-Reaktion geschieht - Sie können die Reaktionsgleichung einer beliebigen Neutralisationsreaktion aufstellen - Sie wissen was mit der Autoprotolyse und mit dem Ionenprodukt gemeint ist. - Sie kennen die Definition für den ph, poh-wert - Sie können den ph-wert einer starken Säure/Base berechnen. - Sie wissen wie ph-werte mit verschiedenen Methoden bestimmt & interpretiert werden - Sie können bestimmen, ob eine Säure/Base stark oder schwach ist. A Lösen Sie Aufgabe A1 bis A5 mit Hilfe des Buchs Element S. 212ff, Kap bis 13.6, 13.9 bis L1 poh-wert (Zusatz zu Kap im Buch S. 229) Analog zur Definition vom ph-wert lässt sich für die OH - -Konzentration der poh definieren. Dabei gilt: poh = - log 10 [OH - ] [OH - ] = 10 -poh mol/l Aus dem Ionenprodukt folgt zudem durch Logarithmieren: K W = [H 3 O + ] [OH - ] = mol 2 /l 2 -log 10 (= p) pk W = ph + poh = 14 Mit der letzten Gleichung lässt sich somit einfach zwischen ph und poh umrechnen. E1 Untersuchung und Neutralisation verschiedener Säuren und Basen (zu zweit) 1. Stellen Sie in je einem 100ml Messkolben eine 0.1M und daraus in einem 50ml (od. 100ml) Messkolben mit geeigneter Messpipette eine 0.01M Lösung von FeCl 3 und NH 4 Cl her. 2. Bestimmen Sie mit einer ph-sonde und mit Universalindikator-Lösung den ph-wert ihrer vier Lösungen, sowie von 0.1M und 0.01M HCl, 0.1M und 0.01M KOH und 0.1M Essigsäure. 3. Neutralisieren Sie 10ml 0.1M KOH mit 0.1M HCl. Messen Sie 20ml HCl-Lösung in einem Messzylinder ab und bestimmen Sie die benötigte Menge durch Zutropfen mit einer Pipette. Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Neutralisation an. 4. Welche Reaktionen für die Stoffe in 1. und 2. sind für den ph-wert verantwortlich? 5. Welchen ph-wert erwarten Sie rechnerisch? Vergleichen Sie mit dem gemessenen Wert. Aufgaben A1: Füllen Sie folgende Tabelle aus Säure-Base Theorie nach Brønsted (S. 214) Eine Säure (S. 215) Saure Lösung (S. 215) 2

3 Eine Base (S. 216) Basische/alkalische Lösung (S. S17) Proton (im Kontext von Säuren und Basen) (S. 215) Ampholyt (S. 217) ph-wert (S. 229) Indikator (S. 234) Autoprotolyse des Wassers (S. 227) Ionenprodukt (S. 227) Säure-Base-Gleichgewicht (S. 221) Korrespondierende Säure /Base (S. 218) Beispiele ein-, zwei- und dreiprotoniger Säuren (S. 219) Neutralisationsreaktion (S. 222) Säure/Base-Reihe (S.220) 3

4 A2 Welche der drei Bezeichnungen Säure, Base, Ampholyt passen auf folgende Stoffe: NH 4 +, H 2 O, HBr, OH - A3 Formulieren Sie die Protoylsereaktion für die folgende Reaktion und weisen Sie die Bezeichnungen HA, B, A -, HB + zu: Salpetersäure + Ammoniak (siehe S. 450) A4 Berechnen Sie die ph- und poh-werte gemäss folgender Angaben: [H 3 O + ] = 10-3 mol/l ph =... poh =... [OH - ] = 0.01 mol/l ph =... poh =... [H 3 O + ] = mol/l ph =... poh =... [HCl] = mol/l ph =... poh =... [NaOH] = 0.2 mol/l ph =... poh =... A5 Erklären Sie folgende zwei Phänomene - Konzentrierte Schwefelsäure (96%) leitet den elektrischen Strom viel schwächer als verdünnte Schwefelsäure. - Eine Salzsäurelösung der Konz. 0.1 mol/l hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit, als eine Essigsäurelösung gleicher Konzentration. (!) 100ml Salzsäurelösung 1mol/l wird in eine Badewanne mit 160l Wasser geschüttet. Welcher ph- Wert besitzt das Wasser? OK 4

5 8.2 Starke und schwache Säuren und Basen Ziel: - Sie wissen, was starke von schwachen Säuren und Basen unterscheidet - Sie kennen die Definition für pk S und pk B - Sie können den ph-wert von Lösungen schwacher Säuren oder Basen berechnen - Sie wissen, wovon der Umschlagsbereiche von Indikatoren abhängt L1 Repetieren Sie Kap und 13.5 im Buch Elemente S L2 Lesen Sie das Zusatzblatt 6.3 Wie stark sind Säuren und Basen?. A Lösen sie die Aufgaben 1, 3 und 4 auf dem Zusatzblatt (S. 149) A E1 L3 Warum ist bei HCl kein pk S -Wert oder bei NH - 2 kein pk B -Wert angegeben? (Tipp: argumentieren Sie ausgehend von der Berechnung der Säure- oder Basenkonstante) Bestimmung des pk S -Werts eines Indikators (zwei Gruppen à 2 Pers.) Führen Sie das Experiment gemäss Anleitung aus. Lesen Sie das Zusatzblatt 6.4 Berechnungen von ph-werten. A Lösen sie die Aufgaben 3 und 5 auf dem Zusatzblatt (S. 151) Aufgaben zu Kap. 8.2 A1 Lösen Sie im Buch Elemente Aufgabe A15 S. 221 A2 Der pk S - Wert der chlorigen Säure (HClO 2 ) beträgt Berechnen Sie pk B und K B. A3 Berechnen Sie den ph-wert folgender Lösungen: HCN (0.02M, pks = 9.21):... NaHCO 3 (0.01):... KOH (0.01):... HNO 3 (0.02):... A4 Sie sollen den pks-wert von Phosphorsäure bestimmen. Sie benutzen dazu 0.1M Phosphorsäure- und 0.1M NaH 2 PO 4 -Lösung. Wie gehen Sie vor? 5 OK

6 8.3 Säuren und Basen im Alltag Ziel: A. Saurer Regen - Sie kennen die (Schad-)Stoffe und Reaktionen, die sauren Regen bewirken. - Sie wissen, welche Auswirkungen saurer Regen auf die Umwelt hat - Sie wissen, was gegen sauren Regen unternommen werden kann. B. Pufferlösungen - Sie wissen was eine Pufferlösung ist, wie sie zusammengesetzt ist und wie sie wirkt. - Sie wissen, was mit Säure- und Basenkapazität gemeint ist. - Sie kennen die wichtigen Puffersysteme der Ozeane und deren Bedeutung für das Klima. - Sie kennen die wichtigen Puffersysteme in Böden C. Organische Säuren - Sie kennen einige wichtige organische Säuren und wissen wie Sie aufgebaut sind. - Sie wissen welche Funktionen organische Säuren in Lebensmitteln haben. - Sie kennen die chemischen Eigenschaften von Essigsäure - Sie wissen wie Brausepulver chemisch wirkt. D. Säuren in Getränken - Sie kennen die häufigsten Säuren, die in Getränken vorkommen - Sie kennen den ph-wert einiger Getränke - Sie wissen, welchen Einfluss saure Getränke auf unsere Zähne haben G Gruppenarbeit Bearbeiten Sie in der Lerngruppe die zur Verfügung stehenden Materialien und recherchieren Sie im Internet wenn nötig weiteres Material. Erstellen Sie eine Zusammenfassung (max. 1 A4-Seite) und bereiten Sie eine Unterrichtseinheit von ca. 20 Min. vor. Zeigen Sie in dieser Unterrichtseinheit mind. ein Experiment samt Auswertung, dass Sie zuvor ausprobiert haben. Materialien: Gruppe A: - Kopien Saurer Regen Gruppe B: - Kopien ChSII S , Kap. 6.8 Puffersysteme - Kopien Kohlenstoffkreislauf und Übersäuerung im Ozean - Kopien Bodenversauerung (S.11-15) Gruppe C: - Kap im Chemiebuch Elemente S Kopien ChSII S Kap im Chemiebuch Element S Kopie Essig im häuslichen Umfeld - Herstellung von Brausepulver: Vermischen Sie in einem Plastikbecher ca. 1/3 Löffel Natriumhydrogencarbonat, ca. 1/3 Löffel Zitronensäure und 2 Löffel Rohrzucker. Geben Sie einen Tropfen Lebensmittelfarbstoff und einen Tropfen Aroma dazu. Kosten Sie das Brausepulver. Gruppe D: - Messen Sie den ph-wert von 6 Getränken, darunter Cola (normal, light, zero), Pepsi und frei wählbare Getränke - Kopie ChSII S Kopie Hohe Gehalte an Zitronensäure... - Kopie Cola-Getränke und Phosphorsäure 6

7 8.4 Titration Ziel: - Titrationskurven - Protolysediagramme - Puffersysteme L1 Lesen/Repetieren Sie im Buch Kap Die Säure-Base-Titration (S ). E1 L2 L3 Führen Sie die Titration der Phosphorsäure gemäss zusätzlicher Anleitung durch und bearbeiten Sie die Auswertung. Lesen Sie auf dem Titrationsanleitungsblatt das Kapitel über den Kurvenverlauf und den Abschnitt zur Protolyse der Phosphorsäure auf dem Zusatzblatt. Lesen Sie den Text zu den Puffersystemen auf dem Zusatzblatt. Aufgaben zu Kap. 8.4 A1 Zeichnen Sie die Titrationskurven, die bei der Titration von je 20ml 0.1M KOH-Lösung und 0.1M NH 3 -Lösung mit 0.1M HCl-Stammlösung zu erwarten sind. A2 Lösen Sie Aufgabe 3 auf dem Zusatzblatt zu den Puffersystemen A3 Eine Pufferlösung mit ph 10 wird benötigt. Welche Stoffe benötigen Sie zur Herstellung? A4 Ammoniumphosphat (NH 4 ) 3 PO 4 ist ein instabiles Salz, das unter Bildung von Ammoniak zerfällt. Stellen Sie die Formeln und Reaktionen auf. Interpretieren sie die Instabilität mit dem kombinierten Protolysediagramm von Phosphorsäure und Ammoniak 7 OK

8 8.5 Nichtwässrige Säure/Base-Reaktionen Ziel: - nicht-protische Säuren - Unterscheidung starker Säuren - Supersäuren - Säure/Base-Definition nach Lewis L1 L2 Lesen den Exkurs Hydratisierte Metallionen als Säuren auf dem Zusatzblatt mit den Protolysediagrammen (S.152) Lesen Sie den Exkurs Säuren und Basen in nichtwässrigen Lösungen auf dem Zusatzblatt (S. 164) A Lösen sie die Aufgaben zu Kap. 8.5 Aufgaben zu Kap. 8.5 A1 Folgende Salze werden in Wasser aufgelöst (aufgeschlämmt). Welchen ph-wert erwarten Sie? Begründung? Stellen Sie ein Reaktionsschema auf. Al(NO 3 ) 3, MgCl 2, CaO A2 Lithiumnitrid ist eine sogenannte Superbase. Superbasen werden in Bezug auf Hydroxid-Ionen definiert. Formulieren Sie analog zu den Supersäuren, was die Bezeichnung Superbase bei Lithiumnitrid bedeutet. Welche Formel besitzt dieser Stoff? Eine Schmelze von Lithiumnitrid wird mit einer Natriumhydroxidschmelze vermischt. Formulieren sie das Nettoreaktionsschema (ohne Zuschauerionen). A3 Gasförmiges Chlorwasserstoff (HCl) reagiert mit gasförmigem Ammoniak. Bestimmen Sie Lewissäure und Lewisbase. A4 Die Additionsreaktion an Alkenen (z.b. Brom an Ethen) kann als Lewis-Säur/Base-Reaktion verstanden werden. Welches Teilchen übernimmt die Funktion als Lewis-Base? 8 OK

9 8.6 Repetitionsaufgaben R1 Formulieren Sie Definitionen für die Zielfragen und begriffe der einzelnen Unterkapitel Sie wissen wie Säuren und Basen gemäss den Theorien von Brønsted und Arrhenius definiert sind. - Sie können erklären was bei einer Säure-Base-Reaktion geschieht. - Sie können die Reaktionsgleichung einer beliebigen Neutralisationsreaktion aufstellen. - Sie wissen was mit der Autoprotolyse und mit dem Ionenprodukt gemeint ist. - Sie kennen die Definition für den ph, poh-wert. - Sie können den ph-wert einer starken Säure/Base berechnen. - Sie wissen wie ph-werte mit verschiedenen Messmethoden bestimmt & interpretiert werden Sie wissen, was starke von schwachen Säuren oder Basen unterscheidet. - Sie kennen die Definition für pk S und pk B. - Sie können den ph-wert von Lösungen schwacher Säuren oder Basen berechnen. - Sie wissen, wovon der Umschlagsbereich von Indikatoren abhängt Sie kennen die (Schad-)Stoffe und Reaktionen, die sauren Regen bewirken. - Sie wissen, welche Auswirkungen saurer Regen auf die Umwelt hat. - Sie wissen, was gegen sauren Regen unternommen werden kann. - Sie wissen was eine Pufferlösung ist, wie sie zusammengesetzt ist und wie sie wirkt. - Sie wissen, was mit Säure- und Basenkapazität gemeint ist. - Sie kennen die wichtigen natürlichen Puffersysteme (Ozean, Boden) und deren Bedeutung - Sie kennen einige wichtige organische Säuren und wissen, wie sie aufgebaut sind. - Sie wissen welche Funktionen organische Säuren in Lebensmitteln haben. - Sie kennen die chemischen Eigenschaften von Essigsäure. - Sie wissen wie Brausepulver chemisch funktioniert. - Sie kennen ein bis zwei Beispiele von Säuren, die häufig in Getränken vorkommen. - Sie wissen, welchen Einfluss saure Getränke auf unsere Zähne haben Sie können den Verlauf einer Titrationskurve vorhersagen. - Sie wissen, was in einem Protolysediagramm dargestellt ist. - Sie kennen die Puffergleichung (Henderson-Hasselbach-Gleichung). R2 Berechnen Sie die gesuchten ph-werte oder Konzentrationen HCl: c = mol/l à ph =... NaOH: c = 0.45mol/L à ph =... NH 3 : c = 0.07 mol/l à ph =... Essigsäure: c = 0.01 mol/l à ph =... H 2 SO 4 : c = 0.01 mol/l à ph =... HCl: ph = 5.4 à c =... NaOH: ph = 13.2 à c =... NH 3 : ph = 9.5 à c =... Essigsäure: ph = 3 à c =... H 2 SO 4 : ph = 0 à c =... 9

10 R3 Neutralisation Schwefelsäure wird mit Kaliumhydroxid (Kalilauge) neutralisiert. Formulieren Sie die Stoffgleichung, Teilchengleichung und Nettogleichung. R4 Stärke von Säuren und Basen Das Dihydrogenphosphat-Ion ist ein Ampholyt. Stellen Sie für den Fall, dass es als Säure, und für den Fall, dass es als Base reagiert, die Protolysegleichgewichte auf. Entscheiden Sie anhand des pk S und pk B Wertes, ob eine Dihydrogenphosphat-Lösung eher sauer oder basisch ist. R5 Titrationskurve a) 20ml einer angesäuerten Lösung (ph = 1) der Aminosäure Methionin (pks1 = 2.28, pks2 = 9.21) wird mit 0.01M NaOH titriert. Zeichnen Sie die Titrationskurve und benennen Sie alle wichtigen Abschnitte. b) Der erste ÄP wird nach 19ml, der zweite ÄP nach 32ml erreicht. Mit diesen beiden Angaben können sie die Konzentration der Methionin-Lösung berechnen. 10

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