Crashkurs Säure-Base

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1 Crashkurs Säure-Base Was sind Säuren und Basen? Welche Eigenschaften haben sie?` Wie reagieren sie mit Wasser? Wie reagieren sie miteinander? Wie sind die Unterschiede in der Stärke definiert? Was ist der ph-wert und wie kann ich ihn berechnen? Was entsteht bei der Neutralisationsreaktion? Wie heissen Salze und welchen ph-wert haben die Lösungen? Was sind Indikatoren und wann haben sie welche Farbe?

2 1778 A.L. Lavoisier Verbrennung von Nichtmetallen: Kohlenstoff --> CO 2 Schwefel --> SO 2 Wässrige Lösungen dieser Nichtmetall-Oxide zeigen Eigenschaften von Säuren. Verbrauchter Teil der Luft: gas oxygène = Sauerstoff Kohlensäure --> Mineralwasser Schwefelsäure --> Autobatterie

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6 Zusammenfassung Säuren - Welche Typen von Säuren kennst du? - Wie entstehen die anorganischen Säuren? - Welche Reaktion gehen Säuren mit Wasser ein? - Welche Ionen entstehen dabei? - Welche Definitionen für Säuren kennst du? (Lavoisier, Arrhenius, Brönstedt)

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11 Säure-Base-Reaktion Nach Brönstedt ist eine Säure ein Stoff, der fähig ist ein Proton abzugeben. Eine solche Reaktion läuft aber nur ab, wenn das Proton von einem anderen Stoff (der Base) aufgenommen wird. Diese Reaktion ist die typische Säure-Base-Reaktion oder auch PROTOLYSE (Protonenübertragung genannt). Allgemein kann man schreiben: HA + B --> A - + HB +, wobei A für Säure steht (S ist durch Schwefel belegt) und B für Base.

12 Protolysen Säure-Base Reaktionen sind nicht auf die Teilnahme von Wasser beschränkt. Schreibe Reaktionsgleichungen für folgende Reaktion: 1. Protolyse in der Gasphase zwischen Ammoniak (NH 3 ) und Chlorwasserstoffgas (HCl) 2. Protolyse von Chlorwasserstoff (HCl), welches in Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) gelöst wird. 3. Protolyse von Blausäure (HCN) in Wasser. 4. Protolyse von Phosphoriger Säure (H 3 PO 3 ) in Ammoniak (NH 3 ) 5. Protolyse von Schwefelwasserstoff (H 2 S) in Wasser.

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14 Stärke von Säuren und Basen - Säuren und Basen sind unterschiedlich stark. Das bedeutet, dass sie in wässriger Lösung unterschiedliche gerne ein Proton aufnehmen bzw. abgeben. - Bei Protolysereaktionen entsteht aus einer Säure ihre korrespondierende Base und umgekehrt. Man nennt beide Stoffe zusammen ein Säure-Base-Paar. - Die Stärke einer Säure oder Base kann mit Hilfe der Gleichgewichts-Protolysereaktion und des daraus errechneten K S -Wertes angegeben werden.

15 Starke Säuren: HCl, HBr, HI, H 2 SO 4, HNO 3 Schwache Säure: alle anderen, also H 2 CO 3, H 3 PO 4, HAc, HF Starke Basen: O 2., OH -, also alle Alkali- und Erdalkalimetalloxide und -hydroxide (z.b: NaOH, CaO...) Schwache Basen: alle anderen, also NH 3 und die Säurerestanionen

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17 Autoprotolyse des Wassers - Reines Wasser ist sehr gering leitfähig. - Die Ionen stammen aus der Autoprotolyse des Wassers: 2 H 2 O <--> H 3 O + + OH - - Das Produkt der Oxoniumionen und der Hydroxidionen ist im reinen Wasser und in verdünnten sauren und basischen Lösungen immer gleich groß: mol 2 /l 2 - Die Konzentration c(h 3 O + ) ist 10-7 mol/l. - Der negative dekadische Logarithmus davon ist der ph-wert.

18 Einfache ph-wert Berechnungen Der ph-wert eine sauren oder basischen Lösung hängt von der Konz. Der H 3 O + - und der OH - -Ionen ab. Diese hängt über das Ionenprodukt des Wassers voneinander ab. Gibt man eine bekannte Menge starker Säure oder Base in Wasser, so bestimmt, auf Grund der vollständigen Dissoziation, diese Menge den ph- Wert. c(hbr) = 1mol/l --> c(h 3 O + ) = 1mol/l --> ph = 0 c(koh) = 0,1mol/l --> c(oh - ) = 0,1mol/l = 10-1 mol/l --> poh = 1 --> ph = 14-1 = 13

19 ph-wert-berechnungen 1. Berechne c(h 3 O + ) bei einem ph von 4, 8 und 13,5. 2. Berechne den ph-wert bei c(h 3 O + )=5x10-7 mol/l und 3x10-10 mol/l 3. Wie groß ist der ph bei einer Hydroxidionenkonz. von 0,1 mol/l und 4x10-7 mol/l 4. In ein Schwimmbecken von 25m Länge, 20m Breite und 2m Tiefe wird 1l Salzsäure (ph=0) gegeben. Wie groß ist der ph-wert? Wie ist es bei 10l Natronlauge (NaOH-Lösung; ph=13) 5. Wie viel Liter Wasser werden benötigt, um den ph- Wert von 250l sauren Abwassers durch Verdünnen von ph=1 auf ph=6 zu senken?

20 Komplizierte ph-wert Berechnungen (wichtig für folgende Aufgaben) - starke Säuren (und Basen): vollständige Protonenabgaben (-aufnahme); c 0 (HA) = c(h 3 O + ); Ionen aus Autoprotolyse vernachlässigbar - schwache Säuren und Basen: c(h 3 O + ) hängt nicht nur von c 0 (HA) ab, sondern auch von der Lage des Protolysegleichgewichts, also von K s (Beispiel Essigsäure) - ist eine Lösung sehr verdünnt, so müssen die Ionen der Autoprotolyse von Wasser berücksichtigt werden. - Für Basen gilt: -lg[c(oh - )] = poh und ph = 14-pOH bzw. c(h 3 O + ) = K W /c(oh - )

21 Aufgaben 1. Berechne den ph-wert von Salzsäure mit c 0 (HCl)=0,001 mol/l und Kalkwasser mit c(ca(oh) 2 )=4x10-4 mol/l 2. Berechne die Masse an NaOH, die mit Wasser zu einem Volumen von 1l gelöst werden muss, wenn die Lösung einen ph-wert von 12,5 haben soll. 3. Wie groß ist der ph-wert der schwachen Borsäure (pk S =9,25) bei einer Ausgangskonz. c 0 (H 3 BO 3 )=0,1mol/l 4. Eine wässrige Ammoniaklösung der Konz. c(nh 3 )=0,7mol/l hat den ph-wert 11,5. Berechne den pk B -Wert von Ammoniak.

22 Salze - Salze entstehen normalerweise bei der Reaktion von Metall und Nichtmetall. - Da Salze aus Ionen bestehen und in sauren und basischen Lösungen Ionen vorkommen, können Salze aus gebildet werden, wenn man aus solchen Lösungen das Wasser entfernt. - Bei der Neutralisation von Säuren mit Basen und umgekehrt, entsteht Wasser und die Ionen eines Sazes. Säure + Base --> Wasser + Salz

23 Salze II - Salze bestehen aus Kationen und Anionen, die in einem Kristallgitter angeordnet sind. - Die kleinste wiederkehrende Einheit im Gitter nennt man Formeleinheit und sie gibt den Namen des Salzez bzw. die Summenformel vor. - Diese besteht aus dem Kation gefolgt vom Anion (z.b. Na + und Cl - ergibt das Salz NaCl mit dem Namen Natriumchlorid). - Die Namen setzten sich also aus dem Namen des Kations (Metall oder NH 4+...Ammonium) und der Bezeichnung des Säurerestanions zusammen.

24 Benennung von Salzen Die Namen der entstehenden Salze ergeben sich aus dem Metallkation (bzw. dem Kation der Base NH 3, dem NH 4+ -Ion, dem Ammoniumion) und dem Säurerestanion mit einer speziellen Endung. -Enthält das Anion die gleiche Zahl an Sauerstoffatomen, wie die entsprechende normale Säure, bekommt es die Endung -at - enthält es einen Sauerstoff mehr: -per..at (z.b. Natriumperchlorat NaClO 4 ) - enthält es einen Sauerstoff weniger: -it - enthält es zwei Sauerstoffe weniger: -hypo..it

25 Benennung von Salzen II Mehrprotonige Säuren ergeben in Wasser je nach ph-wert verschiedene Ionen, bei deren Bezeichnung auch immer die Wasserstoffatomanzahl mit angegeben werden muss: -Phosphorsäure wird zu H 2 PO Dihydrogenphosphat, dann zu HPO Hydrogenphosphat und schliesslich zu PO Phosphat. - Die Salze können somit mehrere Kationen enthalten, wie z.b. Di-Kaliumhydrogenphospaht K 2 HPO 4

26 ph-werte von Salzlsg. - Salzlösungen sind nicht immer neutral. - Salzlösungen reagieren sauer, wenn sie ein Ion enthalten, welches Protonen abgegeben kann (Säure; NH 4 + oder andere korrespondierende Säure eines schwachen Base) oder ein Ion, welches hochgeladen ist und so H 2 O zur Abgabe eines Protons bringt (Al 3+, Fe 3+). - Salzlösungen reagieren basisch, wenn sie ein Ione enthalten, welches ein Proton aufnimmt (Base; korrespondierende Base einer schwachen Säure, wie z.b. CO 3 2-, HPO 4-, F -...)

27 Indikatoren - Sind schwache farbige Säuren, deren korrespondierende Base eine andere Farbe aufweist. - Da es schwache Säuren sind ergibt sich ein Protolysegleichgewicht. - Über das MWG und die K S -Werte der Indikatoren kann berechnet werden, wo der Umschlagspunkt des Indikators liegt und welche Farbe dort vorliegt. - Je nach Anwendungsbereich (ph-bereich) muss ein geeigneter Puffer gewählt werden.

28 Stichworte Wiederholung Definition Säure und Base Entwicklung des Säure-/Basebegriffs Typen von Säuren und Basen; Bildung dieser Stoffe Reaktion typischer Säuren und Basen; Protolyse; Dissoziation Säure-Base-Paare Stärke von Säuren und Basen; pk S -Wert Autoprotolyse von Wasser; Ionenprodukt des Wasser; pk W - Wert ph-wert; ph-wert-skala; ph-wert Berechnungen Puffer