Vorkurs Chemie (NF) Säuren und Basen, Puffer Ulrich Keßler

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1 Vorkurs Chemie (NF) Säuren und Basen, Puffer Ulrich Keßler

2 Alltagserfahrung: sauer Zitrone Essig junger Wein Welcher Stoff bewirkt saure Reaktion? Data/1/Resources/Images_bis_10_ 2009/8_Mach_mit/Tipps/Experimen te/800px-indikator- Blaukraut_466.jpg sauer basisch Färbung von Blaukrautsaft 2

3 1923: Brönsted Säure: ein Stoff, der Protonen abgeben kann Base: ein Stoff, der Protonen aufnehmen kann Erinnerung: Proton = H + Diese Säuredefinition kennzeichnet eine Struktur-Eigenschaft-Beziehung. 3

4 Säure-Base-Reaktionen HCl + NH 3 = Cl + NH 4 + Chlorwasserstoff Ammoniak Chlorid Ammonium CH 3 COOH + H 2 O = CH 3 COO + H 3 O + Essigsäure Wasser Acetat Hydroniumion Säure-Base-Reaktionen sind sehr einfach! 4

5 konjugierte Säure-Base-Paare Säure1 + Base2 = Base1 + Säure2 HA + B = A + HB + HA/A : Säure und Base, die sich um ein H + unterscheiden gilt auch für: HB + /B, HCl/Cl, Essigsäure/Acetat, NH 4+ /NH 3, H 3 O + /H 2 O,... 5

6 Schlussfolgerungen zu jedem Stoff kann seine konjugierte Säure angegeben werden (+H + ) um eine (Brönsted-)Säure sein zu können, muss ein Stoff mindestens ein Wasserstoffatom enthalten Aus den Edukten einer Säure-Base-Reaktion ergeben sich die Produkte. 6

7 Konzentration von Lösungen Angabe der Menge von gelösten Stoffen erfolgt als Konzentration c: c = n/v Einheit: mol/l (vgl. n = m/m) Zwei Lösungen werden zusammengegossen: Die enthaltenen Stoffmengen verhalten sich additiv, nicht die Konzentrationen. 7

8 Ionenprodukt des Wassers H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH (Autoprotolyse) Wasser kann sowohl als Säure als auch als Base wirken (amphoter). es gilt: c(h 3 O + ) c(oh ) = K W = mol 2 L 2 in reinem (neutralem) Wasser: c(h 3 O + ) = c(oh ) = 10 7 mol L 1 8

9 Der ph-wert Der saure oder basische Charakter einer Lösung wird durch den ph-wert angegeben: ph = log c(h 3 O + ) also: c(h 3 O + ) = 10 7 mol L 1 : ph = 7 (neutral) c(h 3 O + ) > 10 7 mol L 1 : ph < 7 (sauer) c(h 3 O + ) < 10 7 mol L 1 : ph > 7 (basisch) 9

10 Starke und schwache Säuren Säure + Wasser: was passiert? entweder: Säure dissoziiert vollständig HA + H 2 O A + H 3 O + : 100 % Umsatz in Lösung nur A und H 3 O + oder: Säure dissoziiert nur teilweise HA + H 2 O = A + H 3 O + : echtes Gleichgewicht Lösung enthält HA, A und H 3 O + 10

11 ph-wert von Lösungen starker Säuren Berechnung einfach: c(h 3 O + ) = c 0 (HA) (wg. vollst. Dissoziation) also: ph = log c 0 (HA) 11

12 ph-wert von Lösungen schwacher Säuren Für das Gleichgewicht HA + H 2 O = A + H 3 O + gilt: c( H 3 O ) c(a ) K S c(ha ) Näherungen für schwache Säuren: 1.Die Säure dissoziiert nur zu einem sehr geringen Teil: c(ha) = c 0 (HA) 2.Die H 3 O + -Ionen stammen nur von der Säure: c(h 3 O + ) = c(a ) 12

13 ph-wert von Lösungen schwacher Säuren mit diesen Näherungen: c(h O ) 3 KS c 0 bzw.: ph 1 2 pk S log c 0 mit pk S log K S 13

14 Einige grundsätzliche Überlegungen HA + H 2 O = A + H 3 O + 1.Gleichgewichtskonstante K S 2.Massenkonstanz 3.Ladungsbilanz 4.Ionenprodukt des Wassers 14

15 Lösungen von Basen Alles wie bei Säuren, jetzt nur K B und c(oh ) betrachten: K B A + H 2 O = HA + OH c(oh ) c(ha ) c(a ) poh = log c(oh ) ph = 14 poh (wg. K W ) 15

16 Lösungen von Basen starke Basen (z. B. NaOH): c(oh ) = c 0 poh = log c(oh ) = log c 0 schwache Basen (z. B. NaOOCCH 3 ): c( OH ) K c poh pk log c B B 0 ph = 14 poh 16

17 Zusammenhang K S und K B K S K B c(h 3O ) c(a c(ha ) ) c(oh ) c(ha ) c(a ) c(h O 3 ) c(oh ) K W oder: pk pk log K 14 S Das bedeutet: B Die Stärken einer Säure und ihrer korrespondierenden Base hängen zusammen. Je stärker die Säure, desto schwächer die Base (und umgekehrt). W 17

18 Puffer Lösung, die schwache Säure und ihre korrespondierende Base enthält Reaktion : HA + A = A + HA Besonderheit: ph-wert ändert sich sowohl bei Säurezugabe als auch bei Basenzugabe nur wenig 18

19 ph-wert eines Puffers K S c( H 3 O ) c(a c(ha ) ) c(ha ) c( H 3 O ) KS c(a ) ph pk S log c(ha ) c(a ) Henderson-Hasselbalch-Gl. für c(ha) = c(a ): ph = pk S 19

20 Zusammenfassung Säure-Base-Reaktionen sind einfach! konjugierte Säure-Base-Paare beachten starke Säuren (Basen): vollständige Protolyse schwache Säure (Basen): Protolysegleichgew. Puffer: ph-wert konstant in der Nähe des pk S 20