7.1 Einleitung Lösungen Eigenschaften von Lösungen Arten von Lösungen... 7

Transkript

1 Grundwissen Chemie Lernheft 7 Lösungen, Säure-Base-Begriff Inhaltsverzeichnis: 7.1 Einleitung Lösungen Eigenschaften vn Lösungen Arten vn Lösungen Säure-Base-Begriff Arrhenius Brønsted und Lwry Lewis ph-wert Pufferlösungen Selbstlernaufgaben Zusammenfassung Hausaufgabe Lösungen zu den Selbstlernaufgaben Anhang Cpyright Laudius GmbH DE

2 7.1 Einleitung Die meisten chemischen Reaktinen in Labr und Industrie und vn Lebensvrgängen spielen sich in Lösungen ab. Daher lhnt sich ein genauerer Blick auf die Eigenschaften dieser Systeme aus gelöstem Stff und Lösungsmittel in dem sich dieser befindet. Das Verhalten vn Lösungen prägt unseren Alltag in vielfältiger Weise. Eine besnders interessante Eigenschaft vn Lösungen ist ihr saures der basisches Verhalten. Zunächst als saurer Geschmack beispielsweise einer Zitrne der alkalisch bei einer Seife verstanden, hat sich der Begriff Säure und Base zunehmend weiterentwickelt und verfeinert. Ob etwas sauer der basisch ist, kann unsere Gesundheit beeinflussen. Wenn Sie dieses Lernheft durchgearbeitet haben, dann sind Sie in der Lage Ihre Umwelt mit neuen Augen zu sehen und mit Vielem verständnisvller umzugehen. Lernziele: Sie können nach Durcharbeitung dieses Lernhefts erklären, was eine Lösung ist. Lösungen nach ihrem Verhalten und ihren Eigenschaften einteilen und übertragen es auf Alltagssituatinen. erklären, was eine Säure und was eine Base ist und das Verhalten eines Stffes diesbezüglich abschätzen. Erklärung der Symble Selbstlernaufgaben Hausaufgabe Zusammenfassung Hinweise/Tipps Lösungen zu den Selbstlernaufgaben Ntizen Anhang 7.2 Lösungen Den Begriff Lösung kann man im weitesten Sinn verstehen als ein hmgenes Gemisch (vgl. Lernheft 1) vn Stffen. In der Regel meint man damit aber flüssige hmgene Gemische aus zwei Kmpnenten. Die sind die Mleküle gleichmäßig verteilt. Es können sehr unterschiedliche Anteile der Stffe vrhanden sein. Meist aber liegt ein Stff mengenmäßig in der Überzahl vr. Er wird in der Regel als das Lösungsmittel der Lösemittel bezeichnet. Gemeint sind in der Regel auch 2

3 Mischungen vn Stffen, die nicht miteinander reagieren. Das bedeutet, dass Sie die Stffe hne Änderung ihrer vrherigen Eigenschaften wieder trennen können. Lösen Sie beispielsweise Kchsalz in Wasser und dampfen das Wasser hinterher ab, erhalten Sie Kchsalz unverändert zurück. Würden Sie dagegen Chlrgas in Wasser einleiten, würde das Gas mit dem Wasser zu Salzsäure reagieren. Daraus könnten Sie Ihr Chlrgas nicht hne weitere chemische Umsetzungen wieder gewinnen. Etwas anders ist es beim Einleiten vn Khlendixid in Wasser, wenn Sie beispielsweise zuhause mit einer Gaskartusche Sprudel herstellen. Das Khlendixid reagiert mit Wasser zur Khlensäure (H 2 O + CO 2 H 2 CO 3, H 2 CO 3 + H 2 O H 3 O + + HCO 3 -, zum Säure-Base-Begriff siehe unten), kann aber daraus wieder entstehen, wenn Sie Ihre Flasche kräftig schütteln. Vn diesen echten Lösungen muss man kllidale Lösungen und die Bildung vn Micellen unterscheiden (siehe unten). Sehr grße Mleküle (Makrmleküle) lösen sich wie kleine Mleküle, verhalten sich aber in Lösung ft anders Eigenschaften vn Lösungen Lösungsvrgang: Damit sich ein Stff in einem anderen lösen kann, müssen die Energien der zwischenmlekularen Kräfte in Lösung in etwa den Kräften zwischen den Mlekülen entsprechen. Sind die Kräfte unterschiedlich, dann müsste zum Auflösen der stärkeren Bindungskräfte, teilweise erheblich viel, Energie aufgewendet werden, die durch die hmgene Mischung mit dem anderen Partner nicht wieder eingespielt wird. In Tetrabrmmethan (Tetrachlrkhlenstff, CBr 4, spielt eine Rlle bei der Herstellung vn Halbleitern, wird bei vielen rganisch-chemischen Reaktinen eingesetzt) sind vier Brm-Atme symmetrisch um ein Khlenstff-Atm in der Mitte angerdnet. Untereinander werden die unplaren Mleküle durch die relativ kleinen Nebenvalenzbindungen zusammengehalten. In Wasser mit seinen ausgeprägten, starken Wasserstff-Brückenbindungen löst sich Tetrabrmmethan s gut wie nicht. Tetrabrmmethan löst sich dagegen sehr gut in unplaren Lösungsmitteln wie Benzl (C 6 H 6 )der Chlrfrm (CHCl 3 ). Alkhle wie Methanl (CH 3 OH) der Ethanl (CH 3 CH 2 OH) andererseits lösen sich in jedem beliebigen Mengenverhältnis mit Wasser (H-O-H), da sie mit Wasser über die OH-Gruppe (Hydrxyl-Gruppe) Wasserstff-Brückenbindungen mit etwa derselben Stärke wie die Wassermleküle untereinander ausbilden können. Wasser kann erfahrungsgemäß Salze lösen. Dabei ziehen an der Oberfläche der Salzkristalle die Katinen die teilweise negativ geladenen Sauerstff-Atme, die Aninen die teilweise psitiv geladenen Wasserstff-Atme an. Ähnliches löst sich in Ähnlichem. Plare Stffe lösen sich in plaren Lösungsmitteln, unplare Stffe lösen sich in unplaren Lösungsmitteln. 3

4 Für das Lösungsverhalten gilt die allgemeine Regel: Stffe, die sich in Wasser lösen, werden als hydrphil (wasserliebend) bezeichnet, Stffe, die sich in unplaren Lösungsmitteln lösen werden als lipphil (fettliebend) bezeichnet. Nach der Auflösung eines Salzkristalls durch Wasser sind die Inen vn Wassermlekülen umgeben. Oft bilden sich bestimmte Anrdnungen mit Wassermlekülen, die Hydrate genannt werden. Die Hydrate sind energieärmer als die Inen hne Hydratwasser. Beispiel: Kristallwasserhaltiges Natriumsulfat, Na 2 SO 4 10H 2 O, Glaubersalz, auch als Abführmittel verwendet der als Säureregulatr in Lebensmitteln, E514. Es löst sich in Wasser unter starker Abkühlung, weil dem Wasser Energie zur Auflösung der Hydrate entzgen werden muss. Ohne Kristallwasser löst es sich unter Wärmeentwicklung. Druck und Temperatur: Wie viel einer Substanz sich in einem, Lösemittel löst, ist auch abhängig vn den äußeren Bedingungen Druck und Temperatur. Manche Salze wie Kaliumchlrid (KCl) lösen sich nur unter Zufuhr vn etwas Wärme, weil die Bilanz zwischen Auflösung des Kristallgitters (Energie wird aufgewendet) und der Bildung der Wasserhülle (Energie wird frei) psitiv ist. Durch Temperaturerhöhung löst sich mehr Salz. Bei einer exthermen Reaktin wäre es umgekehrt (Beispiel: Natriumsulfat, hne Kristallwasser). Druckerhöhung wirkt sich nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges aus (siehe Lernheft 4, Kapitel Gleichgewicht), s dass vr allem bei Gasen das Gleichgewicht zum Zustand mit dem geringeren Vlumen verschben wird. Unter erhöhtem Druck wird sich ein Gas demnach vermehrt lösen. Flüssigkeiten und Feststffe sind kaum kmpressibel (siehe Lernheft 6). Bei ihnen wirkt sich Druckerhöhung kaum aus. Knzentratin: Der Anteil eines gelösten Stffes in der Lösung kann unterschiedlich angegeben werden. Es gibt eine gültige DIN-Nrm, die besagt, dass man unter Knzentratin jeden Qutienten versteht, bei dem das Vlumen V der Mischphase (hier der Lösung aus Lösungsmittel und gelöstem Stff) im Nenner steht. Die im Fall der Lösungen häufig verwendete Knzentratinsangabe ist die Stffmengenknzentratin (früher Mlarität genannt, siehe Lernheft 4, Kapitel Ml), bei der Mle pr Liter Lösung, als des Gemisches, angegeben werden. Bei der Angabe der Mlalität b wird statt auf das Vlumen auf die Masse des Lösungsmittel bezgen bzw. durch die Masse des Lösungsmittels geteilt. Man gibt an ml gelöster Stff je kg Lösungsmittel. Angaben wie Gewichtsprzent, Vlumenprzent (auf jeder Weinflasche angegeben) der Mlprzent sind nicht genrmte Gehalte. Krrekt muss es heißen: Massengehalt, Vlumengehalt und Stffmengengehalt. Dabei werden Masse, Vlumen der Stffmenge des betrachteten Stffes durch die Summe vn Masse, Vlumen der Stffmenge vn gelöstem Stff und Lösemittel geteilt. Löslichkeitsknstante: Stffe sind in der Regel in Wasser nicht beliebig löslich. Überschreitet die Knzentratin des Stffes seine Löslichkeit, bleibt ein ungelöster Feststff, der in Kntakt mit der Lösung steht. Für diejenigen Stffe, die beim Auflösen Inen bilden (außer H * und OH -, Salze), kann man eine abgeleitete Frm des Massenwirkungsgesetzes (siehe Lernheft 4, Kapitel Gleichgewicht) frmulieren. 4

5 Silberchlrid, AgCl, ist ein in Wasser kaum lösliches Salz. Im Gleichgewicht lösen sich immer geringe Mengen und ebens viel setzt sich als unlösliches Salz ab: AgCl Ag + + Cl- Nach dem Massenwirkungsgesetz kann man frmulieren: c( Ag) c( Cl) K = c( AgCl) Die Knzentratin des Feststffs kann man als gleichbleibend annehmen, da sich an der Grenzfläche zum Lösungsmittel näherungsweise gleich viel Substanz befindet. Daher ist es möglich, die Knzentratin des festen Silberchlrid in die Knstante einzubeziehen und ihr einen neuen Namen zu geben: KL = K c (AgCl) = c (Ag+) c (Cl-) K L nennt man die Löslichkeitsknstante. Sie gibt die Knzentratinen der Inen bei einer bestimmten Temperatur, Druck und einem Lösungsmittel an, wenn diese mit der ungelösten Frm im Gleichgewicht sind. Die Werte vn K L kann man Tabellen entnehmen. Die Löslichkeitsknstante spielt eine Rlle bei der Bildung vn Trpfsteinen aus Calciumcarbnat, welches sich absetzt der auch bei der Bildung vn Nierensteinen aus Calciumcarbnat, wenn unter anderem die Löslichkeitsgrenze erreicht ist. Sie hatte Bedeutung für die Analyse vn Metall-Inen. Leitet man Schwefelwasserstff, H 2 S, in eine Lösung, dann fallen die Metallsulfide aus, wenn das Prdukt der Knzentratinen die Löslichkeitsknstante übersteigt. Silbersulfid beispielsweise würde als schwarzer Niederschlag aus einer Lösung mit Silbernitrat ausfallen, das heißt zu Bden sinken. Auch bei der Wasseraufbereitung spielt die Löslichkeitsknstante eine Rlle. Überschreitet das Prdukt der Knzentratinen der Inen die Löslichkeitsknstante, fallen unerwünschte Stffe aus. Zur Wasserenthärtung wird Trinatriumphsphat (Na 3 PO 4 ) zugegeben, damit kann man Calcium als unlösliches Phsphat [Ca 3 (PO 4 ) 2 ] und Magnesium als unlösliches Hydrxid [Mg(OH) 2 ] ausfällen und damit entfernen. Die Hydrxid-Inen stammen aus dem Wasser. Dichte: Die Dichte vn Lösungen ist (außer bei Gasen) größer als die Dichte des reinen Lösungsmittels. Dieses Prinzip macht man sich beim Arämeter (Dichtemesser) zunutze, beispielweise zur Bestimmung des Zuckergehalts vn Traubenmst der des Schwefelsäuregehalts einer Autbatterie zur Feststellung des Ladungszustands. Siedepunkt, Gefrierpunkt: Lösungen haben abhängig vn der Menge des gelösten Stffs einen höheren Siedepunkt und einen niedrigeren Gefrierpunkt als die reinen Lösungsmittel, wenn die gelösten Stffe fast keinen Dampf bilden, sich in Lösung nicht verändern und keine Wechselwirkungen untereinander ausüben. Das trifft zu auf feste Stffe, die in grßer Verdünnung gelöst sind. Das Lösungsmittel muss als reiner Stff gefrieren. Der Temperaturunterschied kann zur Bestimmung vn Mlmassen verwendet werden. Osmse: Die Osmse ist Ausdruck des Bestrebens vn chemischen Substanzen, ein Gleichgewicht zu erreichen. Die Erscheinung tritt auf, wenn zwei Lösungen mit 5

6 unterschiedlicher Knzentratin an gelöstem Stff in Kntakt miteinander kmmen. Sie versuchen, den Knzentratinsunterschied auszugleichen, indem vn der höher knzentrierten Lösung sich gelöste Teilchen in den Bereich der niedriger knzentrierten (der des reinen Lösungsmittels) Lösung bewegen. Hindert man die gelösten Teilchen daran, aber nicht das Lösungsmittel, dann werden Mleküle des Lösungsmittels den Knzentratinsunterschied ausgleichen. Sie verdünnen die höher knzentrierte Lösung. Der freie Durchtritt kann durch eine teilweise durchlässige (semipermeable) Membran zwischen den beiden Lösungen verhindert werden. Die Membran kann beispielsweise nur kleine Teilchen durchlassen der aber auch nur bestimmte Teilchen (selektiv). Durch den Einstrm des Lösungsmittels erhöht sich das Vlumen. Dies können Sie an einem U-förmigen Rhr, wie in der Abbildung, sehen. Der Flüssigkeitsspiegel steigt im einen Schenkel des U-Rhrs an. Dadurch wiederum erhöht sich der Druck auf die Wassersäule. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem das Bestreben nach chemischem Gleichgewicht und Druckausgleich gleich grß ist. Der in dieser Situatin entstandene Druck ist der smtische Druck. Sind in einer Lösung mehrere gelöste Stffe gleichzeitig in ungleicher Knzentratin vrhanden, s trägt jeder einzelne Stff zum Gesamtdruck bei. Bei der Umkehrsmse, einem Verfahren zur Meerwasserentsalzung, wird auf den Schenkel mit der Lösung vn außen zusätzlicher Druck ausgeübt, s dass die Wassermleküle durch die semipermeable Membran gedrückt werden. reines Wasser Lösung Höhenunterschied prprtinal zum smtischen Druck teilweise durchlässige Membran Abb. 1: Durch Osmse steigt die Flüssigkeit im rechten Schenkel des U-Rhrs nach ben. Zur Erklärung des Phänmens siehe den Text. Jacb van t Hff entdeckte, dass sich die Teilchen des gelösten Stffes in einer verdünnten Lösung (hne Wechselwirkungen untereinander, einer idealen Lösung, die selten vrkmmt, aber näherungsweise für verdünnte Lösungen angenmmen werden kann) verhalten, wie im idealen Gasgesetz (vgl. Lernheft 6) beschrieben. Statt dem Druck p schreibt man π für den smtischen Druck. Daher gilt: π V = n R T Kennen Sie die Knzentratin des Stffes, können Sie den smtischen Druck berechnen und umgekehrt können Sie den smtischen Druck messen und daraus 6

7 die Knzentratin bestimmen, bei bekanntem Vlumen auch die Mlmasse berechnen. π = (n/v) R T = c R T Bei grßen Mlekülen wie Eiweißen (Prteinen) kann mit diesem Prinzip die Mlmasse bestimmt werden. Die Osmse ist ein zentrales Prinzip in allen Lebewesen. Viele Zellen, die kleinsten Einheiten vn Lebewesen, können nur in einer entsprechend angepassten Umgebung existieren. Bringt man rte Blutzellen (Erythrzyten) in reines Wasser (destilliertes Wasser), dann dringt Wasser in sie ein, weil innerhalb der Zelle eine ganze Reihe verschiedener Stffe gelöst ist. Die Zellen blähen sich auf und platzen schließlich. Man nennt das Hämlyse. Umgekehrt schrumpfen die Erythrzyten in einer Lösung mit viel gelöstem Stff (knzentrierte Lösung), wie Zucker der Salz. Lösungen mit einem Salzgehalt der einen smtischen Druck wie in der nrmalen Umgebung vn Erythrzyten, dem Blut, erzeugt, nennt man istn (mit gleichem Druck). Die Lösung vn 0,95 g Kchsalz in 100 g Wasser hat denselben smtischen Druck wie Blut und kann daher in das Blut eingeleitet werden. Man nennt sie physilgische Kchsalz- Lösung. Alle Zellen sind vn einer Hülle, der Zellmembran, umgeben. Diese bildet die Barriere zur Umgebung und erlaubt nur bestimmten Substanzen den Zutritt der den Austritt. Die Hülle wirkt als selektive Membran. Diese Erkenntnisse sind vn erheblicher Bedeutung für die Medizin und spielen auch in der Lebensmittelindustrie eine Rlle: Istne Getränke besitzen dieselbe smtische Wirkung wie menschliches Blut. Pflanzenzellen sind zusätzlich mit einer festen Zellwand aus Zellulse ausgestattet. Diese Zellwand kann wesentlich höhere Drucke als die Zellmembran aushalten. Dies ist die Vraussetzung für den Turgr genannten, inneren Druck der Pflanzenzellen, durch den Pflanzen aufrecht stehen können. Verlust des Turgrs führt zum Welken. Bewegungen vn Pflanzen beruhen auf Änderungen des Turgrs. Turgr wird auch als Bezeichnung für den Spannungszustand der menschlichen Haut benutzt Arten vn Lösungen Echte Lösungen: Vllkmmen und hmgen mischbar sind gasförmige Stffe in Gasen, Flüssigkeiten und Feststffen, Flüssigkeiten und Feststffe in Flüssigkeiten und Feststffe in Flüssigkeiten und Feststffen: Mischungstyp: gasförmig in gasförmig gasförmig in flüssig gasförmig in fest Beschreibung Mischung vn Gasen, in der Praxis nicht als Lösung betrachtet als Absrptin bezeichnet, durch Einleiten vn Gas, Löslichkeit prprtinal dem Druck, Löslichkeit sehr verschieden, Quecksilber löst praktisch keine Gase Einlagerung vn Gasen in Gitter des Feststffs, die hhen und reversible Wasserstff-Speicherfähigkeit vn Metallen 7

8 Mischungstyp: flüssig in flüssig fest in flüssig fest in fest Beschreibung (Magnesium, Aluminium) macht sie zu möglichen Kandidaten für Wasserstff-Speicher. Es sind aber auch andere Systeme in Entwicklung. unbegrenzt (Wasser/Ethanl) der begrenzt (Wasser/Phenl, letzteres früher in Creme gegen Lippen-Herpes verwendet) miteinander mischbar das sind die meisten Lösungen, für die im Wesentlichen die ben besprchenen Punkte gelten; zu unterscheiden sind Lösungen vn Stffen, die keine Inen bilden, wie Zucker, vn Lösungen mit Inen-bildenden Stffen. Durch die Auflösung vn Letzteren entstehen aus einem Mlekül mindestens zwei Inen (aus NaCl, Kchsalz, entstehen zwei Inen, aus Na 2 SO 4, Glaubersalz, entstehen drei Inen). Zudem trennen (dissziieren) die Mleküle nicht immer alle vllständig. Vllständig dissziierte Verbindungen nennt man starke Elektrlyte, weil sie den elektrischen Strm gut leiten. Teilweise dissziierte Verbindungen nennt man schwache Elektrlyte, weil sie den Strm schlechter leiten. Vgl. Sie mit Elektrlyse in Lernheft 5, Elektrchemie Zustand wie in Glas (siehe Lernheft 6), bei kristallinen Stffen Ersatz vn Gitteratmen (Kupfer-Nickel, Silber-Palladium; Gld-Platin) der Einschub in Plätze zwischen den Atmen im Gitter (Eisen-Khlenstff bzw. technisches Eisen, Dispersinsfarben: Farbstffe dringen in Fasern ein) Tab. 1: Arten vn Lösungen, ihre Beschreibung. Kllidale Lösungen (Sle): Als kllid werden Stffe bezeichnet, deren Teilchengrößen zwischen etwa 100 bis 1000 nm (1 nm = 10-9 m) liegen. Sie werden damit vr allem über ihre physikalische Eigenschaft, der Größe, definiert. Die festen der flüssigen Stffe, in Gas, Flüssigkeit der in einem Feststff fein verteilt, werden als kllidale Lösungen der Sle bezeichnet. Die Lösung erscheint hmgen. Licht wird jedch relativ stark gestreut. Sie haben den Effekt sicher schn gesehen, wenn Lichtstrahlen an Nebel sichtbar werden, weil das Licht an den feinen Wassertröpfchen gestreut wird. Diese Lösungen bleiben stabil, weil die darin enthaltenen Teilchen durch Wassermleküle umhüllt sind der sich durch ihre gleichen Ladungen abstßen. Hebt man die Abstßung auf, dann flcken die Kllide aus, es bildet sich ein Niederschlag. Eine kllide Eisenhydrxid (Fe(OH) 3 )-Lösung flckt aus, wenn man s viel Kalilauge (KOH K + + OH - in Wasser) zugibt, dass die Ladungen durch die OH - -Inen eben ausgeglichen werden. Entzieht man einem slchen Sl zunehmend Wasser, entsteht ein räumlich fixiertes Netz der grßen Mleküle, genannt Gel. Diese (Ly-)Gele sind frmbeständig, bwhl sie nch sehr viel Lösungsmittel enthalten, und elastisch. Beispiele: Agar-Agar (in Süßwaren, Jghurt), Carrageen (in Pudding, Eiskrem, Frischkäse), Alginate (in Salatdressings, Pralinenfüllungen). Xergele enthalten keine Flüssigkeit mehr und sind frmbeständig. Ein Beispiel ist Kieselgel, das im Labr als Trckenmittel eingesetzt wird. Gele werden verwendet in der Pharmazie und Ksmetik für Cremes und Salben. 8

9 Da die klliden Teilchen in Slen im Nanmeterbereich liegen, können über den Weg Sl-Gel Nanmaterialien mit neuen Eigenschaften für verschiedenste Anwendungen hergestellt werden. Lösungen mit Micellen: Tenside sind stäbchenförmige Mleküle mit einem plaren und einem unplaren Ende. In Wasser rdnen sie sich daher s an, dass ihr unplares Ende an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft (an der Wasserberfläche) nach außen (ben) ragt und ihr plares Ende in das Wasser hinein. Dadurch nimmt der Zusammenhalt der Wassermleküle an der Wasserberfläche ab und die Oberflächenspannung nimmt ab. Ein Wasserläufer würde auf einer slchen Oberfläche einsinken. Ab einer bestimmten Knzentratin frmen sich die Tenside zu Kügelchen (Micellen, Assziatinskllide: zusammengelagerte Teilchen in der Größe vn Klliden) mit dem unplaren Ende in der Mitte und den plaren Enden zum Wasser hin. Erhöht man die Knzentratin weiter, frmen sie sich stäbchenförmig wie kleine Röhren. Tenside kennen Sie aus dem Alltag als Seifen der Waschmittel. Wasserberfläche unplares Ende im unplaren Innenraum Einschluss unplarer Substanzen möglich plares Ende kugelförmige der stäbchenförmige Micelle im Wasser Abb. 2: Zweidimensinale, schematische Darstellung vn einem Tensid an einer Wasserberfläche und einer Micelle der einem Stäbchen im Wasser in Draufsicht. Ist das Lösungsmittel nicht Wasser, sndern ein unplares Lösungsmittel wie Benzl der Acetn, dann rdnen sich die Tensid-Stäbchen umgekehrt an (inverse Micellen). Die Micellen können als Strukturgeber bei chemischen Reaktinen dienen, bei denen ein vernetzter Festkörper aus plaren Substanzen entsteht. Entweder entsteht ein dreidimensinales Gerüst um die Micellen herum der, bei inversen Micellen in einem unplaren Lösungsmittel, entstehen kleine Kügelchen im Inneren der Micellen. Dies ist eine Methde zur Herstellung vn Nanmaterialien, Materialien mit Abmessungen im Nanmeterbereich und neuen Eigenschaften. 9

10 7.3 Säure-Base-Begriff Der Begriff einer Säure der Base hat eine jahrhundertelange Entwicklung durchgemacht. Eine Säure war danach ein Stff, der sauer schmeckte der in Pflanzenfarbstffen eine bestimmte Farbe erzeugt. Eine Base schmeckte bitter und fühlte sich seifig an. Svante Arrhenius war Ende des 19. Jahrhunderts der erste, der eine für viele chemische Fragestellungen nützliche Definitin vrschlug. Die weiteren Knzepte vn Brønsted und Lwry und Lewis bieten je nach Fragestellung weitere Vrteile Arrhenius Nach Arrhenius ist eine Säure ein Stff, der in wässriger Lösung H + - Inen (Wasserstff-Inen) bildet, eine Base bildet in wässriger Lösung OH - -Inen. Die Wasserstff-Inen sind immer mit mehreren Wassermlekülen über Wasserstff- Brücken verbunden. Je stärker eine Säure der Base ist, dest mehr dieser Inen bildet sie. Starke Säuren der Basen geben in wässriger Lösung alle ihre Wasserstff- Inen der Hydrxid-Inen ab. Schwache Säuren der Basen geben nur einen Teil ab. Die Lösung vn Chlrwasserstff, HCl, in Wasser führt zur Bildung vn Salzsäure, einer starken Säure: HCl H + + Cl - Die Lösung vn Natriumhydrxid, NaOH, führt zur Bildung vn Natrnlauge, einer starken Base: NaOH Na + + OH - Weitere in Wasser lösliche Hydrxide werden gebildet mit den Elementen der 1. Hauptgruppe und mit Calcium, Strntium und Thallium. Die anderen, schwerlöslichen Hydrxide lösen sich in Säuren. Beispiel: Cu(OH) 2 + 2H + + 2Cl Cu Cl - + 2H 2 O Es entstehen weder Wasserstff-Inen nch Hydrxid-Inen. Die Lösung reagiert neutral. Würde man das Wasser abdampfen, würde CuCl2 übrigbleiben. CuCl2 wird unter anderem im Weinanbau gegen Pilzbefall verwendet. Oxide vn Metallen der ersten Hauptgruppe swie die Oxide vn Calcium, Strntium und Barium lösen sich in Wasser unter Bildung vn Hydrxiden, führen zur Bildung vn Base: Li 2 O + H 2 O 2Li+ + 2OH - Die schwerlöslichen Oxide lösen sich in Säuren: Mg(OH) 2 + 2H + + 2Cl 2Mg Cl - + 2H 2 O 10

11 Fast alle Oxide vn Nichtmetallen reagieren mit Wasser sauer: SO 3 + H 2 O H + + HSO 4 - Schwefeltrixid bildet Schwefelsäure (nach neuer, nicht verbreiteter Nmenklatur bzw. fachsprachlicher Festlegung Dihydrxiddixidschwefel). Da die Rückreaktin der Entfernung vn Wasser entspricht, nennt man Schwefeltrixid das Anhydrid vn Schwefelsäure. Das Knzept vn Arrhenius erklärt prblemls einige Reaktinen, hat jedch den Nachteil, dass es nur für wässrige Lösungen anwendbar ist Brønsted und Lwry Säuren sind Substanzen, die Prtnen abgeben können, Basen sind Substanzen, die Prtnen aufnehmen können. Säuren sind danach Prtnen-Dnren (Prtnen-Geber), Basen sind Prtnen- Akzeptren (Prtnen-Annehmer). Bei der Reaktin vn Essigsäure mit Wasser CH 3 CO 2 H + H 2 O CH 3 CO H 3 O + gibt die Essigsäure (CH 3 CO 2 H) ein Prtn an das Wasser, sie ist der Prtnen-Dnr, Wasser ist der Prtnen-Akzeptr. Essigsäure und ihr dazugehöriges Anin (genannt Acetat) nennt man ein knjugiertes der krrespndierendes Säure-Base-Paar. Wasser und Oxnium (H 3 O + ) sind in dieser Reaktin das andere Säure-Base-Paar. Die Reaktin läuft aber auch vn rechts nach links, wie durch den Dppelpfeil angezeigt ist. Hier liegt ein chemisches Gleichgewicht vr (siehe Lernheft 4). Die Lage des Gleichgewichts ist davn abhängig, wie stark das Bestreben der beteiligten Verbindungen ist, Prtnen abzugeben bzw. aufzunehmen. Essigsäure gibt nur zu einem kleinen Teil Prtnen an Wasser ab. Man sagt, das Gleichgewicht liegt weit links. Würde man Essigsäure statt in Wasser in Ammniak einbringen CH 3 CO 2 H + NH 3 CH 3 CO NH 4 + würde die Reaktin nach rechts ablaufen, weil Ammniak ein viel größeres Bestreben als Wasser hat, Prtnen aufzunehmen. Anders frmuliert: Das Ammnium-In (NH 4 + ) hält das Prtn sehr viel stärker als Essigsäure, es ist gegenüber Essigsäure die schwächere Säure. Die Säurestärke kann vn den Eigenschaften der Elemente abgeleitet werden. Die wichtigsten Eigenschaften sind die Elektrnegativität (siehe Lernheft 3, Kapitel Dipl- Dipl-Wechselwirkungen) und die Atmgröße. Je elektrnegativer ein Element ist, dest mehr zieht es Elektrnen an und lässt den gebundenen Wasserstff als Prtn (Wasserstff-In) frei. Je größer das Atm, dest weniger Kraft kann es die äußeren Elektrnen ausüben. 11

12 Der Vrteil dieses Knzeptes ist, dass es nicht auf wässrige Lösungen beschränkt ist, sndern in jeder Prtnen-haltigen Umgebung angewendet werden kann. Säure gebräuchlicher Name krrespndierende Base gebräuchlicher Name HClO 4 Perchlrsäure - ClO 4 Perchlrat HCl Salzsäure Cl - Chlrid H 2 SO 4 Schwefelsäure - HSO 4 Hydrgensulfat H 3 O + Oxnium H 2 O Wasser HNO 3 Salpetersäure - NO 3 Nitrat H 3 PO 4 Phsphrsäure - H 2 PO 4 Dihydrgenphsphat [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ (Eisen, vn Eisen-3-Hexahydrat [Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+ Eisen-3-hydrxid- Hexahydrat 6 Wasser- Mlekülen umgeben) HF Flurwasserstff F - Flurid CH 3 COOH Essigsäure CH 3 COO - Acetat [Al(H 2 O) 6 ] 3+ Aluminium-3- Hexahydrat [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+ Aluminium-3- hydrxid-hexahydrat CO 2 + H 2 O Khlendixid plus - HCO 3 Hydrgencarbnat Wasser (Khlensäure, instabil) H 2 S Schwefelwasserstff HS - Hydrgensulfid - H 2 PO 4 Dihydrgenphsphat 2- HPO 4 Hydrgenphsphat HCN Blausäure CN - Cyanid + NH 4 Ammnium NH 3 Ammniak H 2 O Wasser OH - Hydrxid NH 3 Ammniak - NH 2 Amid Tab. 2: Säurestärke und Basenstärke eines krrespndierenden Säure-Base- Paares sind umgekehrt miteinander verknüpft. In der Tabelle nimmt die Säurestärke vn ben nach unten ab, die Basenstärke verhält sich umgekehrt. Die ersten drei Säuren sind in Wasser vllständig dissziiert.in Wasser liegt ausschließlich Ammniak vr. Verbindungen, die je nach Reaktinspartner swhl als Säure als auch als Base fungieren können, nennt man amphter (Wasser). Verbindungen mit mehr als einem Wasserstff können mehrere Wasserstff-Inen abspalten (H 3 PO 4, Phsphrsäure, H 2 SO 4, Schwefelsäure). Man nennt sie mehrprtnige Säuren. In sgenannten Oxsäuren (H 2 SO 4, HNO 3 ) ist der Wasserstff über Sauerstff an ein zentrales Atm gebunden. Die Säurestärke hängt dann vr allem vn der Elektrnegativität des Zentralatms ab. Salz: Ersetzt man in einer Säure das Wasserstff-In durch ein Metall-Katin der in einer Base das Hydrxid-In durch ein anderes Anin, nennt man die Verbindung ein Salz. 12

13 7.3.3 Lewis Nach dem Knzept vn Gilbert Newtn Lewis ist eine Säure ein Elektrnenpaar- Akzeptr, eine Base stellt ein Elektrnenpaar zur Verfügung. Säure und Base bilden das Lewis-Addukt. Lewis-Säuren nehmen ein Elektrnenpaar in die Valenzschale (die äußere Schale des Atms, die chemische Bindungen eingeht) einer ihrer Atme auf, Lewis-Basen besitzen ein freies Elektrnenpaar (ein mit zwei Elektrnen besetztes Mlekülrbital, welches nicht für eine chemische Bindung benutzt wird). Durch die Bildung des Adduktes (zusammengelagertes Teilchen) stehen der Säure zusätzliche Elektrnen zur Verfügung. Das kann je nach Reaktin die Bildung der Edelgas-Knfiguratin bedeuten, indem die Summe der Elektrnen des flgenden Edelgases in der der Peride erreicht wird: Ein weiterer Vrteil ist die Unabhängigkeit des Säure-Begriffes vn Prtnen, stattdessen wird auf Metallkatinen (Cu 2+, + 4NH 3 als Base), Metalle (Ni, + CO als Base) und weitere ungeladene Verbindungen (SO 2, + OH - als Base) erweitert. Lewis-Basen können Aninen (F -, S 2- ) der ungeladene Mleküle (H 2 O, NH 3, CO) sein. Die Basen werden nur vn einigen Nichtmetall-Elementen (C, N, P, As, O, S, Se, F, Cl, Br, I) gebildet. Beachte: In diesem Knzept ist das Prtn selbst die Säure, bei Brønsted und Lwry war die Säure der Prtnen-Dnr! ph-wert Der ph-wert gibt die (wirksame) Knzentratin vn Wasserstff-Inen, angegeben als negativer Zehner-Lgarithmus, an. Sind in einer Lösung beispielsweise 10-8 Wasserstff-Inen pr Liter enthalten, dann beträgt der ph-wert 8. Reines Wasser bildet nur wenige Wasserstff-Inen nach der Reaktinsgleichung: H 2 O H + + OH -. Bei 25 Grad Celsius kann man nur 10-7 ml/l Wasserstff-Inen bestimmen. Diese Lösung hat den ph-wert 7. Da nach der Reaktinsgleichung gleich viele Wasserstff-Inen wie Hydrxid-Inen vrliegen müssen und diese sich in ihrer Wirkung als Säure und Base damit aufheben, sagt man eine slche Lösung sei neutral. Lösungen mit geringerem ph-wert sind sauer. Lösungen mit höherem ph-wert sind alkalisch (basisch). Da einem ph-wert vn 1 die Knzentratin vn Wasserstff-Inen 10-1 ml/l entspricht, enthält diese mehr Wasserstff-Inen als eine Lösung vn ml/l Wasserstff-Inen, was dem ph-wert 10 entspricht. Aus der Berechnung geht auch 13

14 hervr, dass der ph-wert kleiner als Null sein kann, wenn eben die Wasserstff- Inen-Knzentratin mehr als 10 0 ml/l beträgt. Da die Lewis-Definitin vn Säuren und Basen nicht auf Wasserstff-Inen beschränkt ist, ist der ph-wert darauf nicht in jedem Fall anwendbar. Lösung ph-wert 20 %ige Salzsäure 0,3 Salzsäure, 1 ml/l ca. 0 Salzsäure, 0,1 ml/l 1,0 Schwefelsäure, 0,05 ml/l 1,2 Oxalsäure (im Sauerampfer der Rhabarber, kann als 1,3 Calciumxalat im Harn ausfallen), 0,1 ml/l Phsphrsäure, 0,033 ml/l 1,5 Magensaft 0,9 2,3 Salzsäure, 0,01 ml/l 2,0 Weinsäure (bildet Weinstein), 0,05 ml/l 2,2 Citrnensäure, 0,033 ml/l 2,3 Zitrnensaft 2,3 Salicylsäure (in Pflanzen, löst Hrnhaut auf, Zwischenprdukt der 2,4 Synthese vn Acetylsalicylsäure, Markenname Aspirin), gesättigte Lösung Essigsäure, 1 ml/l 2,4 Essigsäure, 0,1 ml/l 2,86 Salzsäure, 0,001 ml/l 3,0 Handelsessig 3,1 Essigsäure, 0,01 ml/l 3,4 Essigsäure, 0,001 ml/l 3,86 eingesäuertes Silfutter 3 4 Salzsäure, 0,0001 ml/l 4,0 saure Milch 4,4 Ammniumchlrid (Salmiak), 0,1 ml/l 4,6 saure Milch 4,4 Brsäure, B(OH) 3, (ihre Salze wurden früher als Brax zur 5,2 Lebensmittelknservierung eingesetzt), 0,033 ml/l Schweiß 4 6,8 Milch 6,4 6,7 Harn 4,8 7,4 reines Wasser 7,0 Blut 7,38 Meerwasser 7,8 8,2 Natriumhydrgencarbnat, 0,1 ml/l 8,4 Seifenlauge 8,2 8,7 Dinatriumphsphat, 0,05 ml/l 9,0 Brax-Lösung, siehe Brsäure, 0,05 ml/l 9,2 Ammniakwasser, 0,1 ml/l 11,0 Natriumcarbnat (Sda)-Lösung (Na 2 CO 3 ), 0,05 ml/l 11,3 Trinatriumphsphat, 0,033 ml/l 12,0 14

15 Lösung ph-wert gesättigtes Kalk (Calciumhydrxid)-Wasser 12,3 Natrnlauge, 0,1 ml/l (NaOH in Wasser) 13,0 Natrnlauge, 1 ml/l ca. 14 Tab. 3: ph-werte einiger wässriger Lösungen, nach Literatur 3 und 4. Der ph-wert wird bestimmt mit einer speziellen Elektrde (siehe Lernheft 5, Elektrchemie), die Wasserstff-Inen messen kann. Außerdem gibt es Stffe, die bei bestimmten ph-werten ihre Farbe wechseln (Indikatren) und smit bestimmte ph-werte anzeigen. Aufgebracht auf Papierstreifen dienen slche Universalindikatren zur zwar ungenauen, aber schnellen Bestimmung. Die Menge der in einer Lösung enthaltenen Säure der Base kann man ermitteln, indem man bekannte Mengen Base der Säure zugibt, bis die Wasserstff-Inen der Hydrxid-Inen aufgebraucht sind bzw. zu Wasser reagiert haben. An diesem Punkt ist die Säure/Base neutralisiert. Die eingesetzte Menge Säure/Base entspricht der unbekannten Menge. Diese Methde nennt man (Säure-Base-)Titratin. Bedeutung: Der ph-wert spielt für die Steuerung chemischer Reaktinen und alle Lebensvrgänge eine entscheidende Rlle Pufferlösungen Bei chemischen Reaktinen swie für Lebensvrgänge (Blut) müssen bestimmte ph- Werte eingehalten werden. Ein ph-wert könnte jedch schwanken, zum Beispiel durch lösen vn Khlendixid aus der Luft in einer wässrigen Lösung wdurch Khlensäure entsteht der durch Essen vn Saurem. Im Labr, in der chemischen Industrie und Lebewesen wird slchen Schwankungen durch sgenannte Pufferlösungen vrgebeugt, die den ph-wert in gewissen Grenzen knstant halten. Diese Lösungen bestehen aus einer schwachen Säure und ihrer krrespndierenden Base. Der Trick ist, dass vn der schwachen Säure und der krrespndierenden Base gleiche Mengen vieler Mleküle in der Lösung vrhanden sind. Man setzt relativ hhe Knzentratinen ein. Gibt man etwas Säure der Base zu, deren Wasserstff-Inen der Hydrxid-Inen mit der krrespndierenden Base bzw. Säure reagieren, s ändert sich im Verhältnis vn Base zu Säure der Puffersubstanzen wenig. Die Zusammenhänge werden beschrieben durch die Hendersn-Hasselbalch-Gleichung: ph = pks lg c(säure)/c(base) dabei ist pks der negative Zehnerlgarithmus der Gleichgewichtsknstanten der Reaktin der schwachen Säure und Base in der Lösung: Säure dissziiert in Base+Wasserstff-In. Da Säure und Base etwa in gleicher Menge vrhanden sind, ihr Verhältnis etwa 1 beträgt, entspricht der ph-wert dem pks-wert. Diese Werte sind bekannt. Man kann damit aussuchen, für welchen ph-wert ein Puffer eingesetzt werden sll. Essigsäure und ihre Base, das Acetat aus dem bigen Beispiel wären ein Puffer bei ph 4,74. Sie würden diesen ph-wert annähernd knstant halten, bis alle Wasserstff-Inen der Hydrxid-Inen annähernd aufgebraucht sind. 15

16 7.4 Selbstlernaufgaben 1. Welche der flgenden Stffe sind lipphil, welche hydrphil? Wasser, Ethanl, Zucker, Wachs, Pflanzenöl, Benzin, Salz, Ether. 2. Ihr Blut hat einen smtischen Druck vn 763 kpa bei 37 Grad Celsius. Sie trinken eine Traubenzuckerlösung, die Sie herstellen aus 2 g Traubenzucker (C 6 H 12 O 6 ) in 250 ml Wasser gelöst. Hat Ihr Blut der die Traubenzuckerlösung einen höheren smtischen Druck? 3. Ordnen Sie die flgenden Säuren nach abnehmender Säurestärke: Salpetersäure, Blausäure, Essigsäure, Flurwasserstff, Perchlrsäure, Wasser, Ammnium-In, Schwefelwasserstff, Phsphrsäure, Schwefelsäure. 7.5 Zusammenfassung Sie haben in diesem Lernheft Lösungen als hmgene Gemische vn mindestens zwei Kmpnenten kennengelernt, in denen eine Kmpnente weit in der Überzahl vrliegt. Lösungen können die Mischung vn Substanzen aus allen Aggregatzuständen sein. In der Regel meint man jedch einen festen Stff gelöst in einem flüssigen. Unplare (lipphile) Stffe lösen sich besser in unplaren Lösungsmitteln und plare (hydrphile) Stffe lösen sich besser in plaren Lösungsmitteln. Druck und Temperatur beeinflussen die Löslichkeit ebenfalls. Entscheidend ist immer die Energiebilanz. Für die Angabe der Menge eines gelösten Stffes verwendet man meist eine Knzentratinsangabe, bei der man sich auf das Vlumen der Lösung bezieht. Üblich ist die Angabe ml/liter. In einer Lösung können nicht beliebig viele Mleküle unterkmmen. Ab einer gewissen Knzentratin fällt der Feststff wieder aus, was bei Anwendungen wie der Wasseraufbereitung eine Rlle spielt. Eine wichtige Eigenschaft vn Lösungen ist die Osmse, da sie swhl Grundlage für technische Verfahren ist, als auch eine herausragende Bedeutung für das Funktinieren vn Lebewesen hat. Neben diesen bisher beschriebenen echten Lösungen gibt es nch kllide Lösungen, die sich vr allem durch die Größe der gelösten Teilchen unterscheiden. Slche Lösungen sind wichtig für die Lebensmittelindustrie und die Pharmazie. Sie eröffnen auch neue Anwendungsmöglichkeiten wie für Nanmaterialien, für die auch Lösungen mit Micellen interessant sind. Micellen ist bisher vn Seifen und Waschmitteln bekannt. Im Lernheft wurden Ihnen drei Definitinen vn Säuren und Basen vrgestellt: nach Arrhenius, Brønsted und Lwry und Lewis. Arrhenius definierte Säuren und Basen als Bildner vn Wasserstff-Inen und Hydrxid-Inen in wässriger Lösung. Erweitert wurden die Begriffe durch Brønsted und Lwry auch auf nicht-wässrige Lösungsmittel, indem sie allgemeiner frmulierten, Säuren seien Geber (Dnren), Basen Akzeptren (Annehmer) vn Wasserstff-Inen. Lewis schließlich machte die Erweiterung auf Metall-Katinen, Metalle möglich, indem als Säure einen Elektrnenpaar-Akzeptr bezeichnete, die Base als Elektrnenpaar-Dnr. Der saure, neutrale der basische Zustand einer Lösung kann mit dem ph-wert erfasst werden. Pufferlösungen dienen zum Einstellen seines bestimmten ph-wertes. 16

17 7.6 Hausaufgabe 1. Wie sind Säuren und Basen in den drei Säureknzepten vn Arrhenius, Brønsted und Lwry und vn Lewis definiert? 2. Wie ist der ph-wert definiert? Wann sagt man, eine Lösung sei sauer, neutral und alkalisch? 3. Was ist eine Pufferlösung? 7.7 Lösungen zu den Selbstlernaufgaben 1. hydrphil sind: Wasser, Ethanl, Zucker, Salz lipphil sind: Wachs, Pflanzenöl, Benzin, Ether, Ethanl 2. Die Traubenzuckerlösung hat den kleineren smtischen Druck. Da sie eine verdünnte Lösung ist, kann man den smtischen Druck analg dem idealen Gasgesetz berechnen: π = (n/v) R T =c R T Die Knzentratin berechnet sich zu 0,044 ml/l. Der smtische Druck zu 110 kpa. 3. Perchlrsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phsphrsäure, Flurwasserstff, Essigsäure, Schwefelwasserstff, Blausäure, Ammnium-In, Wasser. 7.8 Anhang Literaturverzeichnis: 1. Mrtimer, C., Müller, U., Chemie, 8. Aufl.; Thieme: Stuttgart, (2007) 2. Duden Chemie, Reihe Basiswissen Schule, Bibligraphisches Institut: Mannheim, (2007) 3. Römpp nline; 4. Geigy Pharmazeutika, Hrsg., Wissenschaftliche Tabellen, Ciba Geigy: Basel (Schweiz),