Weitere Rechnungen rund um den ph-wert von Säuren, Basen und Salzlösungen

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1 Weitere Rechnungen rund um den phwert von Säuren, Basen und Salzlösungen Vorhandensein der notwendigen Daten geprüft für Hübschmann, inks: Tabellen zur Chemie, 9. Auflage. Stehen mehrere Daten zur Verfügung, so wird derjenige Datenwert benutzt, der möglicht nahe an der Temperatur ϑ= C gültig ist. 1. Berechnen Sie die in Klammern angegebene Größe. Nutzen Sie, falls keine Daten angegeben, diejenigen aus dem Tabellenbuch. a) Fumarsäure (pk s ) f) H S (pk s ) b) ioh (pk B ) g)methylamin (pk B ) c) Benzoesäure (K s ); pk s = 4,040 h) Palmitinsäure (pk S ) d) Ammoniak NH 3 (pk B ), ϑ = 5 C i) Chlorsäure HClO 3 (pk s ) e) Pyridin (K B ); pk B = 8,9393 j) Salicylsäure (K s ); pk s =,97. Geben Sie für jeden Stoff aus Nr. 1 an, ob es sich um eine starke Säure, mittelstarke oder schwache Säure oder Base handelt. 3. Geben Sie für die schwachen Säuren und Basen aus Nr. 1 jeweils den pk S bzw. pk B Wert der korrespondierenden Säure bzw. Base an. 4. Worin unterscheiden sich starke Säuren von schwachen Basen? Weshalb ist der phwert kein geeignetes Maß für die Stärke einer Säure bzw. Base? 5. Welchen Stoffmengenkonzentration c(hno 3 ) hat eine Salpetersäure mit ph = 1,85? 6. Berechnen Sie den phwert folgender ösungen. Nutzen Sie dazu die Daten aus dem Tabellenbuch. a) HCl, c= 400 µ/ b) Phosphorsäure H 3 PO 4, c = 50 m/ nur erste Protolysestufe berücksichtigen. c) ioh, β = 10 g/ gehen Sie davon aus, dass d) HCl, c = 10 8 /. Ist die ösung tatsächlich alkalisch? Begründen Sie! es sich um eine starke Base handelt. 7. Berechnen Sie den phwert folgender ösungen bzw. die Stoffmengenkonzentration c zur Erreichung des angegebenen ph Wertes. a) Natriumacetat NaCH 3 COO, c = 0,5 / e) Ammoniumchlorid NH 4 Cl, c = 50 m/ b) Natriumacetat, NaCH 3 COO, ph = 7,9 f) Ammoniumchlorid NH 4 Cl, ph = 5,5, pk B (NH 3 ) = 4,767 c) Natriumcyanid NaCN, c = 0,6 /; pk S (HCN) = 9,31 g) Kaliumpropionat (Salz der Propionsäure), β = 0, g/ d) Natriumcyanid NaCN, ph = 11,3; pk S (HCN) = 9,31 h) Kaliumpropionat, ph = 5,8. Wo liegt der Haken? 8. Ergänzen Sie die Summenformel der korrespondierenden Säure bzw. Base. Säure OH H PO 4 NH 3 Base NH 3 S HO 9. Erklären Sie den Begriff Autoprotolyse des Wassers. 10. Einige chemische Größen enthalten im Symbol ein kleines p : ph, pk S, pk B, poh etc. Auf welche mathematische Operation deutet das p immer hin? Stellen Sie für jede der angegeben p Größen Formeln für die Umrechnung in die Stammgröße (K s, c(h 3 O + ), etc.) auf ,00 g reine Salpetersäure (100%) werden auf Gesamtvolumen von 500 m gebracht. Wie können aus dieser Schwefelsäurelösung 00 m einer Verdünnung mit ph = 3 hergestellt werden? 1. Wie viel Milliliter von Salzsäurelösungen mit ph = 1,5 und ph = 3,5 müssen jeweils gemischt werden, um 50 Milliliter mit ph =,5 herzustellen? ösungen unter

2 Die ösungshinweise sind ohne Gewähr Vorbemerkung Alle phwertberechnungen sind letztendlich Näherungsrechnungen. Alle phwerte als Endergebnisse werden deshalb maximal mit 1 Nachkommastellen anzugeben. Die Rechnungen gelten nur für stark verdünnte ösungen: c(x) << 1 /. Für Konzentrationen wie z.b. 0,8 / ergeben sich schon relativ große Fehler. Will man exakter und auch mit höheren Konzentrationen rechnen, muss man statt den Konzentrationen so genannte Aktivitäten benutzen. Wen das interessiert, sei auf verlinkt Es gilt: pk = lg( K ) ; alle Werte auf Nachkommastellen gerundet S S Nr. 1 Nr. Nr. 3 Einheit: [/] korrespondierendes Teilchen a) Fumarsäure (I) K S : 9, pks: 3,0 mittelstarke Säure FumaratAnion pk B : 10,98 Fumarsäure (II) K S :, pks: 4,56 schwache Säure pk B : 9,44 b) ioh K B : 0,665 pk B : 0,18 mittelstarke Base H O pks: 13,8 c) Benzoesäure K S : 6, pks: 4,1 schwache Säure BenzoatAnion pk B : 9,79 d) Ammoniak (NH 3 = NH 4 OH) K B : 1, pk B : 4,76 schwache Base AmmoniumKation (NH 4 + ) pks: 9,4 e) Pyridin K B : 1, pk B : 8,94 schwache Base pks: 5,06 f) H S (I) K S : 8, pks: 7,06 schwache Säure HydrogensulfidAnion pk B : 6,94 H S (II) K S : 3, pks: 11,44 schwache Säure SulfidAnion pk B :,56 g) Methylamin K B : 4, pk B : 3,38 schwache Base pks: 10,6 h) Palmitinsäure K S :, pks: 5,70 schwache Säure PalmitatAnion pk B : 8,30 i) Chlorsäure K S :, pks:,7 starke Säure ChloratAnion pk B : 16,7 j) Salicylsäure (I) K S : 1, pks:,97 mittelstarke Säure SalicylatAnion pk B : 11,03 Salicylsäure (II) K S : 4, pks: 13,40 schwache Säure pk B : 0,60 Nr. 4 Bei starken Säuren und Basen liegen die Teilchen vollständig in Ionen dissoziiert vor. Bsp. HCl + H O H 3 O + + Cl ; NaOH Na + + OH Bei schwachen Säuren und Basen ist der allergrößte Teil der Stoffs nicht in Ionen dissoziiert. Es handelt sich um Gleichgewichtsreaktionen, die nur in geringem Ausmaß stattfinden: z.b. NH 3 + H O ó NH OH ; CH 3 COOH + H O ó CH 3 COO + H 3 O +. In welchem Ausmaß diese Reaktion stattfindet, entscheidet maßgeblich über den phwert der ösung und lässt sich durch die Säurekonstante bzw. Basekontstante. Je mehr das Gleichgewicht auf der rechten Seite liegt, desto stärker die Säure bzw. Base und desto größer der Wert der Säure bzw. Basenkonstante (K S bzw. K B ). Je stärker die Säure oder die Base ist desto kleiner wird der pk S bzw pk B Wert.

3 Der phwert einer ösung hängt nicht nur von der Säurestärke ab, sondern auch von der Konzentration in der ösung. So hat eine HClKonzentration von c(hcl) = 0,0001 / einen höheren phwert als eine Essigsäure Konzentration mit c(hac) = 0,05 /. Trotzdem ist Essigsäure (HAc) eine wesentlich schwächere Säure als Salzsäure (HCl), da sie den größeren pk s Wert hat. Nr. 5 HNO 3 + H O H 3 O + + NO 3. + ph + 1, 85 + c( H3O ) = 10 c( H 3O ) = 10 c( H3O ) = 0, Aus dem Koeffizientenverhältnis der Reaktionsgleichung folgt: c 0 (HNO 3 ) = c(h 3 O + ) fl c(hno 3 ) 0,014 /. Nr. 6. a) ph = lg / = 3,40 b) pk S (H 3 PO 4 ) =,149 => mittelstarke Säure c) g 10 β ( ioh ) c( ioh ) = = = 0,41757 M ( ioh ) g 3,948 c( OH ) = 0, poh = 0,379 ph 13, 6 ioh, β = 10 g/ gehen Sie davon aus, dass es sich um eine starke Base handelt. 0, 0075 (0, 0075 ) + c( H3O ) = + + 0, , , => ph 1,80 d) starke Säure: c(h 3 O + ) = 10 8 / Man könnte jetzt denken: ph = lg 10 8 = 8 Der phwert ist allerdings nicht wirklich alkalisch. Schon in neutralem Wasser beträgt die H 3 O + Konzentration durch die Autoprotolyse 10 7 /. Bei so geringer Ausgangskonzentration an Säure muss man diese mit berücksichtigen. c gesamt (H 3 O + ) = 10 7 / / = 1, / => ph = lg 1, ,96 Nr. 7 a Die Berechnung der phwerte von Salzen erfolgt mit den gleichen Formeln für andere Säuren und Basen. Als Säurekonzentration bzw. Basenkonzentration setzt man die Konzentration des sauren oder basischen Ions ein, z.b. c(nh + 4 ) oder c(ac ) etc. Nr. 7 b) pkb lg c0 ( Base) poh =. Man kann also zuerst pk B (Ac ) berechnen (= 9,438) und dann in die Formel einsetzen: 1. Berechnung in c(oh ) poh = 14 ph poh = 14 7, 9= 6, 1. Berechnung der Basenkonstante von Acetat 9, 438 lg( 0, 5) 9, 438 ( 0, 3010) poh = poh = 4, 8

4 pkb lg c0 ( Base) poh+ pkb poh = c0 ( Base) = 10 Mit poh = 6,1 folgt hier also: poh+ pk B ( Ac ) 1, + 9, 438 c0 ( Ac ) = 10 c0 ( Ac ) = 10, c0 ( Ac ) = 10 c0 ( Ac ) = 1, Nr. 7b 7h Im Folgenden sind nur die Endergebnisse angegeben. Die Berechnung erfolgt wie bei 7a und 7b beschrieben (oder mit den analogen Formeln für Säuren). c) pk B (CN ) = 4,69; poh =,4559 => ph 11,54 d) poh = 14 8,3 =,7 pk B (CN ) = 14 9,31 = 4,69 => schwache Base, poh pk lg c ( Base) B 0 => 0 c0(salz) 0,097 / e) pk S (NH + 4 ) = 9,3996 => ; ph 5,7 f) pk S (NH + 4 ) = 14 4,767 = 9,33 => schwache Säure => 4,69 lg c ( Base),7 => c 0 (CN ) 0,19 / c(nacn) ph pk lg c ( Säure) S 0 => 9,33 lg c0 ( Säure) 5,5 => c 0 (NH + 4 ) 0,017 / c(nh 4 Cl) g) β(x) = 0, g/ ; c(x) = 1, /; poh = 5,937 ; ph = 8,06. h) Kaliumpropionat reagiert als Salz einer schwachen Säure mit Wasser alkalisch. Saure phwerte sind durch ösen des Salzes in H O damit nicht einstellbar. 8. Ergänzen Sie die Summenformel der korrespondierenden Säure bzw. Base. Säure OH NH 4 + H PO 4 HS NH 3 H O Base O NH 3 HPO 4 S NH HO 9. siehe Unterricht 10. p steht für lg. (Bildung eines negativen dekadischen ogarithmus). ph steht für potentia hydrogenii ( potentia : Kraft, Hydrogenium : Wasserstoff) z.b. ph = lg c(h 3 O + ) => c(h 3 O + ) = 10 ph pk B = lg K M => K B = 10 pkb etc. 11. Stammlsg.: n H O m( H O ) = ; 3 ( 3) 0, M ( H O3 ) c n( H O ) V ( sg) 3 Stamm ( H O3 ) = 0,09519

5 Gewünschte (verdünnte) sg: c verdünnt (HNO 3 ) = c(h 3 O + ) = 10 ph = 10 3 = 0,001 / Verdünnungsformel: 0, m cverdünnt Vverdünnt cstamm VStamm = c verdünnt Vverdünnt VStamm =,10m c Stamm 0, Theoretisch:,10 m werden im 00mMesskolben gegeben und unter Mischen bis zur Marke aufgefüllt. In der Realität/Praxis: Wenn man bedenkt, dass es sich hierbei um Näherungsrechnungen handelt, kann man lieber so vorgehen. Knapp m HNO 3 in Messkolben geben und unter Mischen bis ca. cm unter der Marke auffüllen. phwert messen. Tropfenweise HNO 3 dazugeben, mischen und ph messen. Ggf. wiederholen bis ZielpH erreicht. Ganz zum Schluss noch mit H O bis zur Marke auffüllen (was bei geringen H OVolumina den phwert kaum beeinflussen sollte. 1. bitte selber rechnen. Zuerst c(hcl) der beiden Ausgangslösungen berechnen und dann mit Mischungsgleichung berechnen.

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7 Nr. 9 Säure= Stoff + H + : z.b. NH 3 + H + + = NH 4 Base= Stoff H + ; z.b. HS H + = S Säure OH + NH 4 H PO 4 HS NH 3 H O Base O NH 3 HPO 4 Nr. 10 S NH HO Auch chemisch reines Wasser enthält Ionen, weil Wassereküle H + auf andere Wassereküle übertragen können. H O + H O ó H 3 O + + OH. Dieser Sachverhalt wird Autoprotolyse des Wassers bezeichnet. Die H 3 O + Konzentration in reinem Wasser beträgt bei 5 C: /. Deshalb hat Wasser den phwert von ph = lg ( /) = 7. Nr. 11 p steht immer für die Bildung des negativen dekadischen ogarithmus der entsprechenden Größe. Dies ist sinnvoll, weil so unhandliche Zahlen (z.b ) in leichter rechenbare heruntergebrochen werden. Weiterhin lassen sich durch die ogarithmierung große Zahlenbereiche darstellen. Der Bereich zwischen c(h 3 O + ) = 1, / bis 1 / entspricht dem phwerten 1 bis 14.