1.11. Säure-Base-Reaktionen
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1 .. Säure-Base-Reaktionen... Säuren und Basen Verwendung von Säuren im aushalt in allen sauren Lebensmitteln wie z.b.,,, in der Technik für, als Ätz- und Beizmittel Verwendung von Laugen im aushalt in,, Beispiele: saure Lösungen basische Lösungen (Laugen) = Cl in 2 O Natronlauge = NaO in 2 O = NO 3 in 2 O = KO in 2 O = 2 CO 3 in 2 O = Ca(O) 2 in 2 O = 2 SO 4 in 2 O = Ba(O) 2 in 2 O = 3 PO 4 in 2 O = N 3 in 2 O = C 3 COO in 2 O Vorsicht: Laugen verursachen irreparable Netzhautablösungen. Beim Umgang mit Laugen daher immer tragen und hinterher die abspülen! Säure-Base-Indikatoren sind Farbstoffe, die durch charakteristische anzeigen, ob eine Lösung, oder reagiert. Indikator sauer neutral basisch Phenolphthalein Universalindikator Rotkohlsaft
2 Der Indikator reagiert auf ein säure- oder basetypisches Teilchen, das in allen sauren oder basischen Lösungen vorkommen muss. Da sowohl Säuren als auch Basen ihre Wirkung nur in wässriger Lösung entfalten, kann man schließen, dass das säure bzw. basetypischen Teilchen durch eine Reaktion mit entstehen. Säuretypische Teilchen wandern zum pol und sind also geladen. Basetypischen Teilchen wandern zum pol und sind daher geladen. Chlorwasserstoff und Wasser reagieren zu : + + Chlorwasserstoff+ Wasser + ydroxonium Cl + 2 O + Säuren geben in wässriger Lösung an Wassermoleküle ab. Dabei entstehen ydroxonium-ionen : Man erhält eine Lösung Wasser und Ammoniak reagieren zu : + + Wasser + Ammoniak ydroxid + Ammonium 2 O + N 3 + Basen nehmen in wässriger Lösung von Wassermolekülen auf. Dabei entstehen ydroxid-ionen : Man erhält eine Lösung (Lauge) 2
3 Chlorwasserstoff und Ammoniak reagieren zu : + + Chlorwasserstoff+ Ammoniak + Cl + N 3 + Allgemeine Säure-Base-Reaktion als Protonenübergang Bei einer Säure-Base-Reaktion gibt die A ein + an die B ab. Dabei entsteht die korrespondierende (Säurerest) A und die korrespondierende B. Bei Säure-Base-Reaktionen ist auch die Rückreaktion meist recht ausgeprägt. Man verwendet daher meistens den Doppelpfeil : A + B A + B Säuren sind Protonen Basen sind Protonen Redoxreaktion als Elektronenübergang Bei einer Redoxreaktion gibt das mittel A ein e an das mittel B ab. Dabei entsteht das korrespondierende mittel A und das korrespondierende mittel B +. A + B A + + B Oxidationsmittel sind Elektronen Reduktionsmittel sind Elektronen 3
4 ..2. erstellung von Säuren und Basen aus Oxiden. Sauerstoffsäuren des Kohlenstoffs 2 O 2 2 O 2 O C CO 2 CO 2 CO O + Kohlenstoff Ameisensäure Formiat 2 O 2 2 O 2 O CO 2 2 CO 3 CO O + Kohlensäure ydrogencarbonat 2 O CO O + Carbonat 2. Sauerstoffsäuren des Schwefels O 2 2 O 2 O S SO 2 2 SO 3 SO O + Schwefel Säure ydrogensulfit 2 O 2 O 2 2 O 2 O SO O + SO 3 2 SO 4 SO O + 2 O SO O + 4
5 Eigenschaften von konzentrierter Schwefelsäure. Die ydroxoniumionen + (vereinfacht) der Schwefelsäure können unedle Metalle wie z.b. unter Wasserstoffentwicklung und auflösen: 2 SO 4 + Fe Fe 2+ + SO Die Sulfationen SO 4 können aber auch edle Metalle wie z.b. oxidieren und zerfressen: 2 SO 4 + Cu Cu O. Dabei entsteht anstelle von Wasserstoff. 3. Schwefelsäure ist stark hygroskopisch ( ). Organische Stoffe werden durch Oxidation und Wasserentzug. 4. Nie das Wasser in die Säure, sonst passiert das Ungeheure : Schwefelsäure reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Wasser ( thermer Lösungsvorgang). Gießt man Wasser in konzentrierte Schwefelsäure, so es sofort und reißt dabei mit sich. 5. Konzentrierte Schwefelsäure hat eine fast doppelt so große wie Wasser: Bei c = 95 % ist ρ =,84 g/cm Sauerstoffsäuren des Stickstoffs 2 O 2 2 O + 2 O 2 2 O 2 N 2 NO NO 2 NO O + Stickstoff salpetrige Säure Nitrit 2 O 2 2 O + 2 O 2 2 O NO 2 NO 3 NO O + Salpetersäure Nitrat 5
6 4. Sauerstoffsäuren des Phosphors 3 O O 4 2 O P 4 P 4 O PO PO O + Phosphor Phosphor-III-oxid phosphorige Säure Dihydrogenphosphit 4 2 O 4 PO O + ydrogenphosphit 4 2 O 3 4 PO O O 4 2 O P 4 O PO PO O + Phosphor-V-oxid Phosphorsäure Dihydrogenphosphat 4 2 O 4 PO O O 3 4 PO O + 5. Natronlauge 2 O 2 2 O 2 O Na Na 2 O 2 NaO 2 Na O Natrium Dinatriumoxid Natriumhydroxid Natronlauge 6. Kalilauge 2 O 2 2 O 2 O K K 2 O 2 KO 2 K O Kalium 6
7 7. Kalklauge 2 O 2 2 O 2 O Ca K 2 O 2 KO 2 K O Calcium Allgemein gilt: Nichtmetalloxid + Wasser Metalloxid + Wasser..3. Neutralisation und Maßanalyse Säuren lassen sich mit neutralisieren. Dabei entstehen lösungen. Beispiel: Na + (aq) + O (aq) + 3 O + (aq) + Cl (aq) Na + (aq)+ 2 2 O + Cl (aq) Natronlauge + Salzsäure wässrige Lösung von Natriumchlorid An der eigentlichen Neutralisation sind nur und beteiligt: 3 O + + O 2 2 O ydroxonium + ydroxid Beispiel: Für die Neutralisation von V(O ) = 200 ml. einer unbekannten Lauge wurden V( 3 O + ) = 2 ml einer 0, molaren Salzsäure (c( 3 O + ) = 0, mol/l = 0, mmol/ml) benötigt. Bestimme die Teilchenzahl n(o ) und die Konzentration c(o ) der unbekannten Lauge. 7
8 Lösung: n( 3 O + ) = V( 3 O + ) c( 3 O + ) = ml mmol ml = mmol Neutralisation: mmol 2 O + + mmol O mmol 2 O n(o ) = n( 3 O + ) = mmol c(o ) = n(o ) V(O = mmol ) ml = mmol ml Als Maßanalyse oder Titration (lat titulus = Aufschrift Bestimmung der Aufschrift) bezeichnet man die Bestimmung der n in einer Lösung durch Neutralisation mit einer Maßlösung mit bekannter c. Der Endpunkt der Neutralisation wird durch den Farbwechsel des angezeigt. Das V der verbrauchten Maßlösung liest man an der Bürette ab. Die gesuchte Teilchenzahl ist dann n =...4. Der p-wert Der p-wert (lat. potentia hydrogenii = Macht des Wasserstoffs) ist ein Maß für die Konzentration an 3 O + - oder O -Ionen in einer Lösung: p c( 3 O + ) in mol/l c(o ) in mol /l Beispiele 0 -molare Salzsäure 0, 0,-molare Salzsäure 2 0,0 3 0,00 4 0, , , u.s.w. 7 0, , usw. 0, , ,000 0,00 2 0,0 3 0, 0,-molare Natronlauge 4 -molare Natronlauge Charakter 8
9 .. Säure-Base-Reaktionen... Säuren und Basen saure und basische Lösungen im aushalt vorstellen Verwendung von Säuren im aushalt in allen sauren Lebensmitteln wie z.b. Zitrone, Essig, Sprudel, Wein in der Technik für Batterien, als Ätz- und Beizmittel Verwendung von Laugen im aushalt in Spül- und Waschmitteln sowie Abflussreinigern. saure und basische Lösungen vorstellen Beispiele: saure Lösungen Salzsäure = Cl in 2 O Salpetersäure = NO 3 in 2 O Kohlensäure = 2 CO 3 in 2 O Schwefelsäure = 2 SO 4 in 2 O Phosphorsäure = 3 PO 4 in 2 O Essigsäure = C 3 COO in 2 O basische Lösungen (Laugen) Natronlauge = NaO in 2 O Kalilauge = KO in 2 O Kalkwasser = Ca(O) 2 in 2 O Barytwasser = Ba(O) 2 in 2 O Salmiakgeist = N 3 in 2 O Vorsicht: Laugen verursachen irreparable Netzhautablösungen. Beim Umgang mit Laugen daher immer Schutzbrille tragen und hinterher die ände abspülen! Indikatoren untersuchen, Elemente I S. 32 Säure-Base-Indikatoren sind Farbstoffe, die durch charakteristische Farbänderungen anzeigen, ob eine Lösung sauer, neutral oder basisch reagiert. Indikator sauer neutral basisch Lackmus rot blau blau Phenolphthalein farblos farblos pink Universalindikator rot grünlich blau Rotkohlsaft blau rot grün Der Indikator reagiert auf ein säure- oder basetypisches Teilchen, das in allen sauren oder basischen Lösungen vorkommen muss. Da sowohl Säuren als auch Basen ihre Wirkung nur in wässriger Lösung entfalten, kann man schließen, dass das säure bzw. basetypischen Teilchen durch eine Reaktion mit Wasser entstehen. Ionenwanderung von Oxalsäure und Natronlauge mit Indikator Säuretypische Teilchen wandern zum Minuspol und sind also positiv geladen. Die basetypischen Teilchen wandern dagegen zum Pluspol und sind daher negativ geladen. Springbrunnenversuch mit Cl und N 3,, anschließend Gasreaktion Cl + N 3, Elemente I S. 87 und 98 9
10 Wasser und Chlorwasserstoffgas reagieren zu Salzsäure: + Cl + O Cl + O Chlorwasserstoff Wasser Chlorid ydroxonium Cl + 2 O Cl + 3 O + Säuren geben in wässriger Lösung Protonen an Wassermoleküle ab. Dabei entstehen ydroxonium-ionen 3 O + : Man erhält eine saure Lösung Ammoniakgas und Wasser reagieren zu Salmiakgeist: O + N O + N + Wasser Ammoniak ydroxid Ammonium 2 O + N 3 O + N 4 + Basen nehmen in wässriger Lösung Protonen von Wassermolekülen auf. Dabei enstehen ydroxid-ionen O : Man erhält eine Lauge. Ammoniakgas und Chlorwasserstoffgas reagieren zu Ammoniumchlorid: Cl + N Cl + N + Chlorwasserstoff Ammoniak Chlorid Ammonium Cl + N 3 Cl + N 4 + Allgemeine Säure-Base-Reaktion als Protonenübergang Bei einer Säure-Base-Reaktion gibt die Säure A ein Proton + an die Base B ab. Dabei entsteht die korrespondierende Base (Säurerest) A und die korrespondierende Säure B. Bei Säure-Base-Reaktionen ist auch die Rückreaktion meist recht ausgeprägt. Man verwendet daher i.a. den Doppelpfeil : A + B A + B Säuren sind Protonenspender Basen sind Protonenfänger 0
11 Zum Vergleich: allgemeine Redoxreaktion als Elektronenübergang Bei einer Redoxreaktion gibt das Oxidationsmittel A ein Elektron e an das Reduktionsmittel B ab. Dabei entsteht das korrespondierende Reduktionsmittel A und das korrespondierende Oxidationsmittel B +. A + B A + + B Oxidationsmittel sind Elektronenspender Reduktionsmittel sind Elektronenfänger Übungen: Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr...2. erstellung von Säuren und Basen aus Oxiden Metalle und Nichtmetalle verbrennen und die Verbrennungsprodukte mit Wasser und Indikator versetzen. Sauerstoffsäuren des Kohlenstoffs 2 O 2 2 O 2 O C CO 2 CO 2 CO O + Kohlenstoff Kohlenmonoxid Ameisensäure Formiat 2 O 2 2 O 2 O CO 2 2 CO 3 CO O + Kohlendioxid Kohlensäure ydrogencarbonat 2 O CO O + Carbonat 2. Sauerstoffsäuren des Schwefels O 2 2 O 2 O S SO 2 2 SO 3 SO O + Schwefel Schwefeldioxid schweflige Säure ydrogensulfit 2 O 2 2 O 2 O SO 3 2 SO 4 SO O + Schwefeldioxid Schwefelsäure ydrogensulfat 2 O SO O + Sulfat konz 2 SO 4 mit Eisen, Kupfer, Wasser und Watte reagieren lassen, Viskosität untersuchen, Elemente I S. 20 f.
12 Eigenschaften von konzentrierter Schwefelsäure. Schwefelsäure ist eine starke Säure und oxidiert mit ihren + -Ionen unedle Metalle wie z.b. Eisen: 2 SO 4 + Fe Fe 2+ + SO Schwefelsäure ist ein starkes Oxidationsmittel und oxidiert mit ihren SO 4 -Ionen auch edle Metalle wie z.b. Kupfer: 2 SO 4 + Cu Cu 2+ + SO O 3. Schwefelsäure ist stark hygroskopisch (wasserentziehend). Organische Stoffe werden durch Oxidation und Wasserentzug verkohlt. 4. Nie das Wasser in die Säure, sonst passiert das Ungeheure : Schwefelsäure reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Wasser (Lösungsvorgang). Gießt man Wasser in konzentrierte Schwefelsäure, so verdampft dieses sofort und reißt dabei Schwefelsäure mit sich aus dem Reaktionsgefäß. 5. Konzentrierte Schwefelsäure hat eine fast doppelt so große Dichte wie Wasser: Bei c = 95 % ist ρ =,84 g/cm Sauerstoffsäuren des Stickstoffs 2 O 2 2 O + 2 O 2 2 O 2 N 2 NO NO 2 NO O + Stickstoff Stickstoffmonoxid salpetrige Säure Nitrit 2 O 2 2 O + 2 O 2 2 O NO 2 NO 3 NO O + Stickstoffdioxid Salpetersäure Nitrat 4. Sauerstoffsäuren des Phosphors 3 O O 4 2 O P 4 P 4 O PO PO O + Phosphor Phosphor-III-oxid phosphorige Säure Dihydrogenphosphit 2 O O 4 2 O P 4 O 0 3 PO PO O + Phosphor-V-oxid Phosphorsäure Dihydrogenphosphat 4 2 O 4 2 O 4 PO O + ydrogenphosphat 4 PO O + Phosphat Übungen: erstellung von Schwefelsäure Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr. 2 2
13 5. Natronlauge 2 O 2 2 O 2 O Na Na 2 O 2 NaO 2 Na O Natrium Natriumoxid Natriumhydroxid Natronlauge 6. Kalilauge 2 O 2 2 O 2 O K K 2 O 2 KO 2 K O Kalium Kaliumoxid Kaliumhydroxid Kalilauge 7. Kalklauge O 2 2 O 2 O Ca CaO 2 Ca(O) 2 Ca O Calcium Calciumoxid Calciumhydroxid Kalklauge Allgemein gilt: Nichtmetalloxid + Wasser Säure Metalloxid + Wasser Base Übungen: Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr Neutralisation und Maßanalyse Neutralisation von Cl mit NaO und Eindampfen der Lösung, Elemente I S Säuren lassen sich mit Laugen neutralisieren. Dabei entstehen Salzlösungen: Beispiel: Na + + O + 3 O + + Cl Na O + Cl Natronlauge + Salzsäure wässrige Lösung von Natriumchlorid = Kochsalz An der eigentlichen Neutralisation sind nur ydroxonium-ionen und ydroxid-ionen beteiligt: 3 O + + O 2 2 O ydroxonium + ydroxid Wasser Übungen: Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr. 4 3
14 Beispiel: Für die Neutralisation von V(O ) = 200 ml. einer unbekannten Lauge wurden V( 3 O + ) = 2 ml einer 0, molaren Salzsäure (c( 3 O + ) = 0, mol/l = 0, mmol/ml) benötigt. Bestimme die Teilchenzahl n(o ) und die Konzentration c(o ) der unbekannten Lauge. n 3 O + ) = V( 3 O + ) c( 3 O + ) = 2 ml 0, mmol ml =,2 mmol Neutralisation:,2 mmol 2 O + +,2 mmol O 2,4 mmol 2 O n(o ) = n( 3 O + ) =,2 mmol c(o ) = n(o ),2 mmol = V(O ) 200 ml = 6 mmol ml Als Maßanalyse oder Titration (lat titulus = Aufschrift Bestimmung der Aufschrift) bezeichnet man die Bestimmung der Teilchenzahl n in einer Lösung durch Neutralisation mit einer Maßlösung mit bekannter Konzentration c. Der Endpunkt der Neutralisation wird durch den Farbwechsel des Indikators angezeigt. Das Volumen V der verbrauchten Maßlösung liest man an der Bürette ab. Die gesuchte Teilchenzahl ist dann n = V c. Übungen: Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr. 5 Leitfähigkeitstitration Bestimmung des Säuregehaltes in Lebensmitteln..4. Der p-wert p-werte von Essig, Waschmittel, Vitamin-C-Lösung, Obstsaft, Salzsäure und Natronlauge verschiedener Konzentrationen mit p-elektrode oder p-papier bestimmen, Elemente I S. 33 Der p-wert (lat. potentia hydrogenii = Macht des Wasserstoffs) ist ein Maß für die Konzentration an 3 O + - oder O -Ionen in einer Lösung: p c( 3 O + ) in mol/l c(o ) in mol /l Beispiele Charakter 0 -molare Salzsäure 0, 0,-molare Salzsäure 2 0,0 Zitronensaft, Magensaft 3 0,00 Essig, Cola sauer 4 0,000 Wein, saurer Regen 5 0,000 0 Mineralwasser 6 0, u.s.w. Regen, aut 7 0, , destilliertes Wasser, Blut neutral 8 usw. 0, Darmsaft, Meerwasser 9 0, ,000 Seifenlösung 0,00 Salmiakgeist basisch 2 0,0 Geschirrspülmittel 3 0, 0,-molare Natronlauge 4 -molare Natronlauge Übungen: Aufgaben zu Säure-Base-Reaktionen Nr. 6 4
Definiere den Begriff Orbital. Erkläre den ph-wert! Erkläre die Autoprotolyse des Wassers mit Hilfe der Reaktionsgleichung.
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