Anorganische-Chemie. Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E

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1 Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E stefan.wuttke@cup.uni-muenchen.de Anorganische-Chemie Grundpraktikum für Biologen 2017

2 Säuren und Basen Essigsäure Phosphorsäure Zitronensäure Fettsäurensalze Natriumhydroxid Natriumcarbonat Stefan Wuttke # 2

3 Entwicklung der Begriffe Säure und Base 17. Jahrhundert R. Boyle N. Lemery Säuren: schmecken sauer Basen: heben die Wirkung von Säuren auf Säuren: bestehen aus Teilchen mit Spitzen Basen: bestehen aus runden Teilchen mit Poren. 18. Jahrhundert A. Lavoisier Säuren: enthalten Sauerstoff 19. Jahrhundert H. Davy Säuren: enthalten Wasserstoff J. Liebig S. Arrhenius 20. Jahrhundert G.N. Lewis J.N. Brønsted und T.M. Lowry Säuren: enthalten Wasserstoff, der durch Metall ersetzbar ist. Säuren: dissoziieren in Wasser unter Abgabe von Wasserstoff-Ionen H + Basen: dissoziieren in Wasser unter Abgabe von Hydroxid-Ionen OH - Säuren: sind Elektronenpaar-Akzeptoren Base: sind Elektronenpaar-Donatoren Säuren: sind Protonen-Donatoren Basen: sind Protonen-Akzeptoren Stefan Wuttke # 3

4 Säure-Base-Theorie von Brønsted Stefan Wuttke # 4

5 Säure-Base-Theorie von Brønsted HCl(s); HCl(l) oder HCl(g) leitet nicht den elektrischen Strom HCl in Wasser leitet den elektrischen Strom Elektrolytische Dissoziation des Chlorwasserstoffs: HCl H + + Cl - Stefan Wuttke # 5

6 Säure-Base-Theorie von Brønsted Protonenübergang Cl-H + H-O-H Cl - + H 3 O + Die H 3 O + -Ionen heißen Oxonium-Ionen oder Hydronium-Ionen. Sie bewirken, dass die Lösung sauer ist. Stefan Wuttke # 6

7 Säure-Base-Theorie von Brønsted Protonenübergang H 3 N + H-O-H NH OH - Die Bildung der Hydroxid-Ionen erfolgte durch den Übergang von Protonen der Wassermoleküle auf Ammoniakmoleküle. Sie bewirken, dass die Lösung basisch ist. Das wichtigste Lösungsmittel für Säure-Base-Reaktionen ist Wasser. Stefan Wuttke # 7

8 Säure-Base-Theorie von Brønsted Protolysegleichgewicht Stefan Wuttke # 8

9 Ampholyte Protonenübergang Cl-H + H-O-H Cl - + H 3 O + Protonenübergang H 3 N + H-O-H NH OH - Ampholyte sind nach Brønsted Teilchen, die je nach Reaktionspartner Protonen abgeben oder aufnehmen können. Sie sind säure-base-amphoter (griech.: amphoteros = beides zugleich). Stefan Wuttke # 9

10 Autoprotolysegleichegewicht des Wassers H 2 O(l) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + OH - (aq) R H = 57,4 kj mol Das Autoprotolysegleichgewicht des Wassers liegt auf der Seite der Wassermoleküle. K c = c H 3 O+ c(oh ) c 2 (H 2 O) Stefan Wuttke # 10

11 Autoprotolysegleichegewicht des Wassers K c = c H 3 O+ c(oh ) c 2 (H 2 O) c H 3 O + = mol l -1 c OH = mol l -1 c(h 2 O) = n H 2 O V(H 2 O) = m(h 2 O) M(H 2 O)V(H 2 O) = 1000 g 18 g mol 1 1 l = 55,6 mol l-1 Daher ist die Konzentration des Wassers etwa (5, ) mal größer als die der Ionen. Stefan Wuttke # 11

12 Ionenprodukt des Wassers Wenn durch Zusatz einer Säure oder Base zu reinem Wasser die Konzentration der Hydronium-bzw. der Hydroxid-Ionen vervielfacht wird, bleibt wegen des SEHR großen Wasserüberschusses (5, ) die Konzentration der Wassermoleküle praktisch konstant. K c = c H 3 O+ c(oh ) c 2 (H 2 O) K w = c(h 3 O + ) c(oh - ) In reinem Wasser bei 24 C ist die Gleichgewichtskonstante K w = mol l mol l -1 = mol2 l-2 Stefan Wuttke # 12

13 ph-wert wässriger Lösungen ph = lg {c H 3 O + } [mol l 1 ] ph-wert (lat.: pondus hydrogenii = Wasserstoffexponent) Paul Lauritz Sörensen (1909) Weniger üblich ist die Verwendung des sinngemäß definierten poh-wertes: poh = lg {c OH } [mol l 1 ] Stefan Wuttke # 13

14 Logarithmus x logx 0,01-2 0, Sehr große Werte können so in handliche Zahlen umgewandelt werden. Die Zahlen sind einfacher zu handhaben. Stefan Wuttke # 14

15 Ionenexponent des Wassers pk w K w = c(h 3 O + ) c(oh - ) = mol l mol l -1 = mol2 l-2 pk w = lg {K w } [mol l 1 ] pk w = ph + poh = 14 lg(a b) = lg{a}+lg{b} Stefan Wuttke # 15

16 Neutral, sauer und alkalisch In reinem Wasser ist, da c(h 3 O + ) = c(oh - ) = mol l -1, ph = poh = 7. Solche Lösungen mit ph = 7 bezeichnet man als neutral, Lösungen mit ph < 7 als sauer, Lösungen mit ph > 7 als alkalisch. Stefan Wuttke # 16

17 ph-skala c(h 3 O + ) ph Eigenschaft poh c(oh - ) sauer neutral basisch Stefan Wuttke # 17

18 Übungsaufgabe Ein Schwimmbecken ist 50 m lang, 20 m breit und durchschnittlich 1,5 m tief. Der ph-wert des Wassers soll 7,2 betragen. Wie groß ist die Masse der in diesem Becken enthaltenen Oxonium-Ionen und die Masse der enthaltenen Hydroxid-Ionen? Stefan Wuttke # 18

19 ph-werte bekannter Lösungen Wein Cola Apfelsaft Seifenlösung Zitronensaft Magensaft Bier Kaffee Regen Blut Backpulver Haushaltsammoniak sauer Neutral basisch Stefan Wuttke # 19

20 ph-wert Messen Ein Säure-Base-Indikator ist eine schwache organische Säure, bei der das deprotonierte Säurerest-Anion eine andere Farbe aufweist als das neutrale Säuremolekül. HInd + H 2 O H 3 O + + Ind - Stefan Wuttke # 20

21 ph-wert Messen Ein Säure-Base-Indikator ist eine schwache organische Säure, bei der das deprotonierte Säurerest-Anion eine andere Farbe aufweist als das neutrale Säuremolekül. HInd + H 2 O H 3 O + + Ind - Cyanidin Stefan Wuttke # 21

22 ph-meter Stefan Wuttke # 22

23 Bedeutung des ph-wertes Körperflüssigkeiten und deren ph-bereich Blutplasma 7,39 Erythrozyten 7,36 Magensaft 1,0 bis 2,0 Darmsaft 6,2 bis 7,5 Speichel 5,0 bis 6,8 Harn 5,0 bis 8,0 Stefan Wuttke # 23

24 Saurer Regen Stefan Wuttke # 24

25 Säurekonstante HA + H 2 O H 3 O + + A - K = c(h 3O + )c(a ) c(ha)c(h 2 O) K c(h 2 O) = c(h 3O + )c(a ) c(ha) = K S Was können wir aus der Säurekonstante ablesen? Stefan Wuttke # 25

26 Basenkonstante B + H 2 O OH - + BH + K = c(oh )c(bh + ) c(b)c(h 2 O) K c(h 2 O) = c(oh )c(bh + ) c(b) = K B Stefan Wuttke # 26

27 Ionenprodukt des Wassers HA + H 2 O H 3 O + + A - K S = c(h 3O + )c(a ) c(ha) A - + H 2 O HA + OH - K B = c(ha)c(oh ) c(a ) c(h 3 O + ) c(oh ) = K W = mol2 L-2 pk S + pk B = pk W = 14 Stefan Wuttke # 27

28 Starke Säuren und Basen HA + H 2 O H 3 O + + A - K S = c(h 3O + )c(a ) c(ha) ph = lg {c H 3 O + } Stefan Wuttke # 28

29 Übungsaufgabe Welchen ph-wert besitzt eine Salpetersäure-Lösung mit der Stoffmengenkonzentration c 0 (Säure) = 0,03 mol L -1? Stefan Wuttke # 29

30 Nivellierender Effekt des Wassers Welchen ph-wert besitzt eine HNO 3 -, HI-, HBr-, HCl- oder H 2 SO 4 -Lösung mit der Stoffmengenkonzentration c 0 (Säure) = 0,03 mol L -1 ph = 1,5 Was ist die stärkste Säure oder Base, die in Wasser existiert? H 3 O + und OH - Wie kann man den Unterschied zwischen starken Säuren oder Basen messen? Stefan Wuttke # 30

31 Schwache Säuren und Basen HA + H 2 O H 3 O + + A - K S = c(h 3O + )c(a ) c(ha) ph = lg {c H 3 O + } Stefan Wuttke # 31