CHEMIE KAPITEL 4 SÄURE-BASE. Timm Wilke. Georg-August-Universität Göttingen. Wintersemester 2013 / 2014

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1 CHEMIE KAPITEL 4 SÄURE-BASE Timm Wilke Georg-August-Universität Göttingen Wintersemester 2013 / 2014

2 Folie 2 Aufgaben In einen Liter Wasser werden 2 g NH - 2 (starke Base) eingeleitet welchen ph-wert hat die Lösung? In einen Liter Wasser werden 3 g HS - (schwache Base) eingeleitet die Lösung hat den poh-wert 4,06. Berechne c(oh - ), den K B -Wert und pk B -Wert der Base. M(N)=14 g/mol M(H) = 1 g/mol M(S) = 32 g/mol

3 Folie 3 Lösung Aufgabe 1 NH H 2 O = NH 3 + OH - c(oh - ) ergibt sich aus der Stoffmenge NH 2-, da es sich um eine starke Base handelt: c(nh 2- ) c(oh - ) n(nh 2- ) = m(nh 2- ) / M(NH 2- ) 2 g / 16 g/mol = 0,125 mol Berechnung des poh-wertes: poh = - log [c(oh - )] poh = - log [0,125] = 0,9 ph = 14 poh 14 0,9 = 13,1

4 Folie 4 Lösung Aufgabe 2 Berechnung der Stoffmenge: 3 g HS - / 33 g/mol = 0,091 mol Berechnung von c(oh - ): poh = - log[c(oh - )] Umformung: 10 -poh = c(oh - ) 10-4,06 = 0, = c(oh - ) K B = log(k B ) = pk B = 7,07

5 Folie 5 Zusammenhang ph, K W, poh Ionenprodukt des Wassers: K W = c(h + ) * c(oh - ) = c(h + ) * c(oh - ) -log(10-14 ) = -log[c(h + )] * -log[c(oh - )] 14 = ph + poh Bsp: 14 = poh = ph

6 Folie 6 Neutralisationsreaktion Durch Zugeben von Base zu einer sauer reagierenden wässrigen Lösung kann man eine Neutral reagierende Lösung herstellen. Die dabei stattfindenden Neutralisationsreaktionen laufen nach der allgemeinen Gleichung: Säure + Base Salz + Wasser Die Reaktion ist exotherm, die frei werdende Wärme wird als Neutralisationswärme bezeichnet.

7 Folie 7 Der Vollständigkeit halber: Titrationskurve Gibt man zu einer wässrigen Lösung von Salzsäure mit c(hcl) = 0,1 mol/l tröpfchenweise Natronlauge (NaOH), so gibt man OH -1 Ionen in eine wässrige Lösung, in der H + - Ionen im riesigen Überschuss vorliegen. Diese OH -1 Ionen reagieren mit den H + -Ionen direkt zu Wasser. Die Salzsäure wird Tröpfchen für Tröpfchen neutralisiert. Im Verlauf der Titration verringert sich die H + -Ionen Konzentration Schritt für Schritt bis schließlich c(h + ) = c(oh - ) gilt. Dieser Punkt wird als Neutralpunkt bezeichnet. Gibt man weiter Natronlauge hinzu, erhält man eine schließlich eine alkalisch reagierende Lösung. Befindet sich ein geeigneter Farbstoff in der Lösung, findet bei ph 7, also am Neutralpunkt ein Farbumschlag statt. Ein solcher Farbstoff wird als Indikator bezeichnet. Titrationen dienen meist der Konzentrationsbestimmung. Es lässt sich aus dem Volumen der bis zum Farbumschlag zugegeben Natronlauge (die eine definierte Konzentration besitzt) die Konzentration der vorliegenden Salzsäure berechnen.

8 Folie 8 Indikator Titrationskurve Indikator

9 Folie 9 Schwache Säuren und Basen Allgemeine Formel zur Berechnung der ph-werte von Lösungen einer schwachen Säure oder Base Schwache Säure: ph = ½ [pk S log(c 0 )] Schwache Base: poh = ½ [pk B log(c 0 )]

10 Folie 10 Aufgaben Kohlensäure ist eine schwache Säure (pk S = 6,52): Welchen ph-wert besitzt eine Lösung aus 0,54 mol Kohlensäure in 400 ml Wasser? Ammoniak (NH 3 ) ist eine schwache Base (pk B = 4,75): Welchen ph- Wert besitzt eine Lösung aus 0,2 mol Ammoniak in 1,5 Litern Wasser? Schwache Säure: ph = ½ [pk S log(c 0 )] Schwache Base: poh = ½ [pk B log(c 0 )]

11 Folie 11 Lösung Aufgabe 1 c = n V = 0,54 mol 0,4 L = 1.35 mol L pk S = 6,52 ph = ½ [pk S log(c 0 )] = ½ [6,52 log(1,35)] = 3,19 Aufgabe 2 c = n V = 0,2 mol 1,5 L = 0,133 mol L pk B = 4,75 poh = ½ [pk B log(c 0 )] = ½ [4,75 log(0,133)] = 2,81 ph = 14 poh = 14-2,81 = 11,19

12 Folie 12 Korrespondierende Säuren / Basen Allgemeiner Fall: HX sei eine starke Säure, folglich hat das Anion X - das starke Bestreben, ein Proton abzuspalten. Oder anders: X - ist auch ohne das Proton stabil. Die Aufnahme eines Protons ist ungünstig, es würde sofort wieder abgestoßen Folglich ist HX eine starke Säure und (bzw. weil) X - eine schlechte Base ist. (gilt analog für starke Basen und schlechte Säuren)

13 Folie 13 Korrespondierende Säuren / Basen Ähnliches gilt für schwache Säuren. Diese dissoziieren nur zu einem Bruchteil, da die korrespondierende Base stark ist und das Proton bindet. Die Abgabe eines Protons ist ungünstig (bzw. instabil), es würde aufgrund der entstehenden starken Base sofort wieder ein Proton aufgenommen.

14 Folie 14 Beispiel HCl (pk S = -6) ist eine starke Säure, folglich ist die korrespondierende Base Cl - (pk B = 20) eine schwache Base. Ethanol (pk S = 15,9) ist eine schwache Säure, folglich ist die korrespondierende Base CH 3 -CH 2 -O (pk B = -1,9)stark Je stärker die Säure, desto schwächer die korrespondierende Base und umgekehrt.

15 Folie 15 Anwendung: Protolyse von Salzen Lösungen aus reinen kristallinen Salzen in Wasser reagieren oft sauer oder alkalisch. Das ist dann der Fall, wenn Salze Anionen der korrespondierenden Basen einer schwachen Säure bzw. der korrespondierenden Säure eine schwachen Base enthalten. Die korrespondierenden Anionen und Kationen von starken Säuren und Basen reagieren neutral.

16 Folie 16 Protolyse von Salzen

17 Folie 17 Beispiel: Fall A Beispiel: NaCl Kation (positiv geladen) von starker Base abgeleitet: z.b. NaOH. Demzufolge ist Na + eine sehr schwache Säure (pk S = 14,56). Anion (negativ geladen) von starker Säure abgeleitet: z.b. HCl. Demzufolge ist Cl - eine sehr schwache Base (pk B = 20). Sowohl Kation als auch Anion sind schwach und reagieren somit nicht bzw. kaum mit der Lösung und verändern den ph-wert nicht.

18 Folie 18 Beispiel: Fall B Beispiel: NaCH 3 COO Kation von starker Base abgeleitet: z.b. NaOH. Demzufolge ist Na + eine sehr schwache Säure (pk S = 14,56). Anion von schwacher Säure abgeleitet: Essigsäure (CH 3 COOH, pk S = 4,75). Demzufolge ist Acetat (CH 3 COO - ) eine schwache Base (pk B = 9,25). Acetationen reagieren mit Wasser: CH 3 COO - + H 2 O CH 3 COOH + OH - Die Lösung ist alkalisch!

19 Folie 19 Aufgabe: Fall C Beispiel: NH 4 Cl Kation von schwacher Base abgeleitet: Ammoniak (NH 3, pk B = 4,75). Demzufolge ist NH + 4 eine schwache Säure (pk S = 9,25). Anion von starker Säure abgeleitet: z.b. HCl. Demzufolge ist Cl - eine sehr schwache Base (pk B = 20). Ammoniumionen reagieren mit Wasser: NH H 2 O NH 3 + H 3 O + Die Lösung ist sauer!

20 Folie 20 Aufgabe: Fall D Beispiel: NH 4 HCO 3 Kation von schwacher Base abgeleitet: Ammoniak (NH 3, pk B = 4,75). Demzufolge ist NH + 4 eine schwache Säure (pk S = 9,25). Anion von schwacher Säure abgeleitet: Kohlensäure (H 2 CO 3, pk S = 6,52). Demzufolge ist Carbonat (HCO 3- ) eine schwache Base (pk B = 7,48). Es liegen 2 reagierende Ionen vor es muss berechnet werden, ob die Lösung sauer, alkalisch oder neutral vorliegt.

21 Folie 21 Puffer Der Ablauf der Lebensvorgänge ist direkt davon abhängig, dass die H + -Ionen-Konzentration im Zellmilieu innerhalb eines bestimmten ph-bereichs liegt. Pflanzenwachstum ist an bestimmte ph-werte in Boden (Übersäuerung, saurer Regen) und Zellsäften gebunden. Ablauf der Lebensfunktionen ist abhängig von oft sehr engen Bereichen des ph-wertes in den Körperflüssigkeiten. Problem: Beim Stoffwechsel entstehen Säuren und Basen als Abbauprodukte. Wie schafft es der Körper den ph-wert in den Körperflüssigkeiten konstant zu halten?

22 Folie 22 - Puffersysteme stellen natürliche Regelmechanismen dar. - Gibt man nur 1 ml konzentrierte Natronlauge zu 1 L neutralem Wasser ändert sich der ph-wert von 7 auf 11! Gibt diesen Milliliter in eine gepufferte Lösung, so ändert sich der ph-wert kaum. Puffer

23 Folie 23 Puffer - Puffersysteme enthalten schwache Säuren und ihre korrespondierende Base bzw. schwache Basen und ihre korrespondierende Säure in relativ hohen Konzentrationen (gemessen an den den Stoffmengen der zugegebenen H + - oder OH - -Ionen) - Der Lösung zugegebene H + - oder OH - -Ionen werden von diesen Teilchen abgefangen und neutralisiert

24 Folie 24 Puffer Ein gutes Beispiel für einen Puffer ist der Essigsäure-Acetat- Puffer. Zusammensetzung: 50 % Essigsäure (CH 3 COOH) und 50 % Acetat (CH 3 COO - ) Beispiel: Zugabe von Salzsäure HCl reagiert mit Acetat: HCl + CH 3 COO - -> Cl - + CH 3 COOH Somit wurde aus einer starke Säure (HCl) eine schwache (CH 3 COOH). Letztere dissoziiert kaum, daher sinkt der ph-wert nur leicht die Lösung hat die Wirkung von HCl abgepuffert.

25 Folie 25 Puffer Beispiel: Zugabe von Natronlauge NaOH reagiert mit Essigsäure: NaOH + CH 3 COOH -> Na + + CH 3 COO - Somit wurde aus einer starke Säure (NaOH) eine schwache (CH 3 COO - ). Letztere nimmt kaum Protonen auf, daher steigt der ph-wert nur leicht die Lösung hat die Wirkung von NaOH ebenfalls abgepuffert.

26 Folie 26 Zusammenfassung Puffer verhindern starke ph-wertänderungen, indem die zugegebenen starken Säuren und Basen mit den enthaltenen schwachen Säuren bzw. Basen reagieren. Dabei entstehen wiederum schwache Säuren bzw. Basen, welche den ph-wert kaum beeinflussen. Die Pufferwirkung hält, bis eine Komponenten des Puffers verbraucht dann steigt der ph-wert sprunghaft an.

27 Folie 27 Aufgabe In unserem Blut liegt als Puffer ein sog. Kohlensäure- Hydrogencarbonat-System vor, welches den ph-wert unseres Blutes konstant hält. Erkläre, wie das System den ph-wert in unserem Blut konstant hält und wie es auf die Zugabe von HCl und NaOH reagieren würde Für Experten: Warum müssen wir bei einer Übersäuerung des Blutes verstärkt (aus)atmen bzw. bei zu alkalischem Blut weniger atmen?

28 Folie 28 Abbildungsnachweis: Rechtliches Folie 21: Folie 23: Folie 23: Copyrightvermerk und Lizenzen: Alle Rechte an den Inhalten dieser elearning-materialien liegen beim Autor oder den jeweiligen Urheberrechtsinhabern. Sämtliche Bilder und Texte sind entweder vom Autor selbst fotografiert, verfasst oder sind gemeinfrei, es sei denn, es ist eine andere Quelle angegeben. Kein Teil dieses Materials darf ohne ausdrückliche schriftliche Genehmigung des Autors veröffentlicht, vervielfältigt oder für Internet-Seiten verwendet werden, auch nicht in abgeänderter Form. Die Daten oder Teile der Homepage dürfen nicht auf fremden Datenträgern, Kopien, Druckwerken, auf CD-ROM oder anderen Datenspeichermöglichkeiten erscheinen. Haftungsausschluss: Die Benutzung der hier vorliegenden Informationen geschieht auf vollkommen eigene Verantwortung. Haftung für Schäden oder Verluste, die beim Umgang mit den hier beschriebenen Stoffen oder bei der Durchführung von chemischen Versuchen entstehen, ist ausgeschlossen; ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund falscher oder fehlender Angaben. Die Angaben zu den Stoffen und Experimentieranleitungen wurden jedoch sorgfältig und nach bestem Gewissen erstellt und sind in jedem Falle zu beachten.

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