VI Säuren und Basen (Mortimer: Kap. 17 u 18 Atkins: Kap. 14, 15)

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1 VI Säuren und Basen (Mortimer: Kap. 17 u 18 Atkins: Kap. 14, 15) 19. Säure-Base-Theorien Stichwörter: Arrhenius- u. Brönstedt-Theorie von Säuren und Basen, konjugiertes Säure- Base-Paar, Amphoterie, nivellierender Effekt von Wasser, stärkste Säuren und Basen in H 2 O, Stärke von Säuren und Basen, Lewis-Säure-Base-Theorie 20. Säure-Base-Gleichgewichte Stichwörter: Ionenprodukt des Wassers, ph-wert, poh-wert, Säuredissoziations-konstante K S, pk S -Wert, Dissoziationsgrad, Basenkonstante, pk B -Wert, Indikatoren, Puffer, Henderson- Hasselbalch-Gleichung, Titrationskurve, Äquivalenzpunkt Übungsaufgaben: 19.1 Erklären Sie folgende Bezeichnungen und Begriffe: Brönsted-Definition, starke Säure/Base, schwache Säure/Base, Dissoziation, Hydronium-Ion, Hydroxid-Ion, konjugierte Säure/Base-Paare, mehrprotonige Säure, Lewis-Säure, Lewis-Base Was sind nach Brönsted Säuren und Basen? Nennen Sie je zwei Beispiele! 19.3 Was versteht man unter Autoprotolyse? 19.4 Schreiben Sie die drei Dissoziationsstufen der Phosphorsäure auf und kennzeichnen Sie für jedes Dissoziationsgleichgewicht die konjugierten Säure-Base-Paare Erklären Sie folgende Bezeichnungen und Begriffe: ph-wert, poh-wert, pk S -Wert, pk B -Wert, Neutralisationspunkt, Ampholyt, Autoprotolyse, Titrationskurve, Äquivalenzpunkt, Puffer, Acetat-Puffer, Phosphat-Puffer Was ist das Ionenprodukt des Wassers, welchen Wert hat es und wie lautet es bei Verwendung von ph und poh? 20.3 Für eine wässrige Lösung findet man: [H 3 O + ] = 10 3 mol/l. Welcher ph- bzw. poh- Wert liegt vor. Was bedeutet ph = 0?

2 20.4 Welche Gleichung gilt für die drei Säurekonstanten K S1, K S2, K S3 der Dissoziationsstufen der Phosphorsäure? 20.5 Wie sind der pk S - und pk B -Wert beim NH 4 + /NH 3 definiert? Wie hängen Sie zusammen? 20.6 Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Umsetzung von Na 2 S mit HCl bzw. KCN mit H 2 SO 4 an! Benennen Sie die Produkte und Edukte! Warum laufen die Reaktionen ab? 20.7 Welchen ph-wert haben 0.01 M HCl bzw M H 2 SO 4? 20.8 Wie viel molar ist eine Salzsäure mit ph = 4 bzw. eine Natronlauge mit ph = Welchen ph-wert hat eine 0.1 molare Ameisensäure (HCOOH, pk S = 3.8) bzw. eine 0.1 M NH 3 -Lösung (pk B = 4.8)? Wie viel molar ist eine Essigsäure mit ph = 3.4 (pk S = 4.8)? Was ist ein Indikator? Wie ist sein Umschlagsbereich definiert? Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Neutralisation von H 3 PO 4 mit KOH Bei der Neutralisation von 1 M HCl mit 1 M NaOH erwärmt sich die Lösung. Nimmt man statt HCl 1 M Essigsäure, ist die Erwärmung gering. Begründen Sie den Unterschied Warum reagiert die wässrige Lösung von Kaliumcarbonat basisch? Worin unterscheiden sich die Titrationskurven von Salzsäure und Essigsäure? Welche Konzentration haben 25 ml Salpetersäure (HNO 3 ), wenn für die Neutralisation 32 ml einer M KOH-Lösung verbraucht wurden? Wie viel Gramm Schwefelsäure enthalten 100 ml einer 0.1 M Lösung? Wie viel Gramm Phosphorsäure enthält 1 L 0.1 molare Lösung?

3 20.18 Wieviel Gramm Ammoniak sind zur Neutralisation von 1 g Schwefelsäure notwendig? In 1 L eines Acetat-Puffers liegen 0.1 mol Natriumacetat und 0.5 mol Essigsäure (pk S = 4.8 vor). Wie viel molar ist der Puffer? Welchen ph-wert hat dieser Puffer? Welchen ph- Wert hat dieser Puffer nach Zugabe von 40 ml 0.1 M NaOH? Bei einem Ammoniak-Puffer (pk B = 4.8) beträgt das Konzentrationsverhältnis von Ammoniak zu Ammoniumchlorid 1:10. Welchen ph-wert hat die Lösung? Sie benötigen einen etwa 0.2 M Puffer bei ph = 6.9. Welche Puffersubstanzen würden Sie nehmen? Welche Mengen (in Gramm) müssten Sie für 100 ml Pufferlösung einwiegen Warum ist der Kohlensäure-Puffer für den Menschen so bedeutsam? Welches ist die stärkste Säure im Körper des Menschen und wo befindet sie sich? Durch welche Organe wird der Säure-Base-Haushalt des Menschen reguliert?

4 VI Säuren und Basen (Mortimer: Kap. 17 u 18 Atkins: Kap. 14, 15) 19. Säure-Base-Theorien Stichwörter: Arrhenius- u. Brönstedt-Theorie von Säuren und Basen, konjugiertes Säure- Base-Paar, Amphoterie, nivellierender Effekt von Wasser, stärkste Säuren und Basen in H 2 O, Stärke von Säuren und Basen, Lewis-Säure-Base-Theorie 20. Säure-Base-Gleichgewichte Stichwörter: Ionenprodukt des Wassers, ph-wert, poh-wert, Säuredissoziations-konstante K S, pk S -Wert, Dissoziationsgrad, Basenkonstante, pk B -Wert, Indikatoren, Puffer, Henderson- Hasselbalch-Gleichung, Titrationskurve, Äquivalenzpunkt Übungsaufgaben: 19.1 Erklären Sie folgende Bezeichnungen und Begriffe: Brönsted-Definition, starke Säure/Base, schwache Säure/Base, Dissoziation, Hydronium-Ion, Hydroxid-Ion, konjugierte Säure/Base-Paare, mehrprotonige Säure, Lewis-Säure, Lewis-Base. Brönsted-Definition: Brönsted definiert Basen als Substanzen, die Protonen aufnehmen können (Protonen-Akzeptoren), und Säuren als Verbindungen, die Protonen abgeben (Protonen-Donator) Starke Säuren/Basen: Säuren und Basen, die in wässriger Lösung vollständig dissoziieren. Schache Säuren und Basen: Säuren und Basen, die nur partiell in Wasser dissoziieren Dissoziation: Zerfall von Molekülen in Ionen (in wässriger Lösung) Hydronium-Ion: auch Oxonium-Ion, Ion, das aus einem Proton und einem Wasser-Molekül gebildet wird, H 3 O +. Hydroxid-Ion, OH, konjugierte Base des Wassers Konjugierte Säure/Base-Paare: Brönsted Säure-Base-Paar, das durch Abgabe bzw. Aufnahme eines Protons in Beziehung steht, z.b. NH + 4 -Ion (Säure) und NH 3 (Base)

5 Mehrprotonige Säure: Säure, die mehr als ein Proton pro Molekül abgeben kann Lewis-Säure: Teilchenart, die eine kovalente Bindung mit dem von einer Lewis-Base zur Verfügung gestellten Elektronenpaar bilden kann: eine elektrophile Spezies Lewis-Base: Teilchenart, die ein Elektronenpaar zur Anbindung an eine Lewis-Säure zur Verfügung stellen kann, nucleophile Spezies 19.2 Was sind nach Brönsted Säuren und Basen? Nennen Sie je zwei Beispiele! Brönsted Säure: Protonen-Donator, z.b. CH 3 COOH, NH 4 + Brönsted Base: Protonen-Akzeptor, z.b. CH 3 CO 2, NH 3, H 2 O 19.3 Was versteht man unter Autoprotolyse? Wasser reagiert mit sich selbst und bildet Hydronium- und Hydroxid-Ionen: H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH 19.4 Schreiben Sie die drei Dissoziationsstufen der Phosphorsäure auf und kennzeichnen Sie für jedes Dissoziationsgleichgewicht die konjugierten Säure-Base-Paare. H 3 PO 4 + H 2 O H 3 O + + H 2 PO 4 Säure1 + Base2 Säure2 + Base1 H 2 PO 4 + H 2 O H 3 O + + HPO 4 2 Säure1 + Base2 Säure2 + Base1 HPO 4 + H 2 O H 3 O + + PO 4 3 Säure1 + Base2 Säure2 + Base Erklären Sie folgende Bezeichnungen und Begriffe: ph-wert, poh-wert, pk S -Wert, pk B -Wert, Neutralisationspunkt, Ampholyt, Autoprotolyse, Titrationskurve, Äquivalenzpunkt, Puffer, Acetat-Puffer, Phosphat-Puffer. ph-wert: Der negative dekadische Logarithmus der H + -Ionenkonzentration, ph = log (c(h + )/(mol l 1 ))

6 poh-wert: Der negative dekadische Logarithmus der OH -Ionenkonzentration, ph = log (c(oh )/(mol l 1 )) pk s -Wert: Der negative dekadische Logarithmus der Gleichgewichtskonstante für die Säuredissoaziation, pk s = log K s pk B -Wert: Der negative dekadische Logarithmus der Gleichgewichtskonstante für die Basedissoziation, pk B = log K B Neutralisationspunkt: Punkt, an dem ph-wert gleich 7, an dem Säure1 mit Base 2 vollständig zu H 2 O reagieren Ampholyt: Verbindung, die sowohl saure als auch basische Eigenschaften hat und sowohl mit Basen als auch mit Säuren reagiert Autoprotolyse: siehe 19.3 Titrationskurve: Graph. Darstellung des ph-wertes als Funktion der zugegebenen Reagenzmenge im Verlaufe einer Titration Äquivalenzpunkt: Punkt (bzw. ph-wert) während einer Titration, bei dem äquivalente Mengen der Reaktanden vorliegen Puffer: Lösung, die eine schwache Säure und ihre konjugierte Base enthält. Sie ändert ihren ph-wert nur geringfügig bei Zugabe begrenzter Mengen von Säuren und Basen Acetat-Puffer: Puffer aus Essigsäure und Acetat Phosphat-Puffer: Puffer aus 2 versch. Dissoziationsstufen der Phosphorsäure (z.b. H 2 PO 4 /HPO 2 4 )

7 20.2 Was ist das Ionenprodukt des Wassers, welchen Wert hat es und wie lautet es bei Verwendung von ph und poh? [OH ][H 3 O + ] = K[H 2 O] 2 = K w = mol 2 /l 2 ph = log[h 3 O + ] poh = log[oh ] ph + poh = Für eine wässrige Lösung findet man: [H 3 O + ] = 10 3 mol/l. Welcher ph- bzw. poh- Wert liegt vor. Was bedeutet ph = 0? ph = log 10 3 = 3 poh = 14 ph = 11 ph = 0 stark sauer, ph-wert einer 1 molaren, vollständig dissoziierten Säure 20.4 Welche Gleichung gilt für die drei Säurekonstanten K S1, K S2, K S3 der Dissoziationsstufen der Phosphorsäure? H 3 PO 4 + H 2 O H 3 O + + H 2 PO 4 [H 3 O + ][H 2 PO 4 ]/[H 3 PO 4 ] = K S1 = mol/l H 2 PO 4 + H 2 O H 3 O + + HPO 4 2 [H 3 O + ][HPO 4 2 ]/[H 2 PO 4 ] = K S2 = mol/l HPO 4 + H 2 O H 3 O + + PO 4 3 [H 3 O + ][PO 4 3 ]/[HPO 4 2 ] = K S3 = mol/l 20.5 Wie sind der pk S - und pk B -Wert beim NH 4 + /NH 3 definiert? Wie hängen Sie zusammen? NH H 2 O NH 3 + H 3 O + pk S = [NH 3 ][H 3 O + ]/[NH + 4 ] = 9.26 NH 3 + H 2 O NH OH pk B = [NH + 4 ][OH ]/[NH 3 ] = 4.74 H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH pk w = 14 = pk s + pk B

8 20.6 Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Umsetzung von Na 2 S mit HCl bzw. KCN mit H 2 SO 4 an! Benennen Sie die Produkte und Edukte! Warum laufen die Reaktionen ab? Na 2 S + 2 HCl H 2 S + 2 NaCl Natriumsulfid, Salzsäure; Schwefelwasserstoff, Natriumchlorid 2 KCN + H 2 SO 4 K 2 SO HCN Kaliumcyanid, Schwefelsäure, Kaliumsulfat, Blausäure Die stärkere Säure (HCl, H 2 SO 4 ) verdrängt die schwächere (H 2 S, HCN) aus ihren Salzen 20.7 Welchen ph-wert haben 0.01 M HCl bzw M H 2 SO 4? HCl: c(h + ) = 0.01 mol/l; ph = log c(h + ) = log (10 2 ) = 2 H 2 SO 4 : bei Annahme vollständiger Dissoziation: c(h + ) = 0.01 mol/l; ph = log c(h + ) = log (10 2 ) = Wie viel molar ist eine Salzsäure mit ph = 4 bzw. eine Natronlauge mit ph = 12. HCl: ph = 4; 4 = log(c(h + )) => c(h + ) = c(hcl) = 10 4 mol/l NaOH: ph = 12; poh = = 2 = log(c(oh )); c(oh ) = c(naoh) = 10 2 mol/l 20.9 Welchen ph-wert hat eine 0.1 molare Ameisensäure (HCOOH, pk S = 3.8) bzw. eine 0.1 M NH 3 -Lösung (pk B = 4.8)? a) HCOOH: ph ~ ½(pK S log c o /(mol l 1 )) = ½(3.8+1) = 2.4 b) NH 3 : poh ~ ½(pK S log c o /(mol l 1 )) = ½(4.8+1) = 2.9 ph = = Wie viel molar ist eine Essigsäure mit ph = 3.4 (pk S = 4.8)? 3.4 = ½(4.8 log c o /(mol l 1 ) 6.8 = 4.8 log c o /(mol l 1 ) 2 = log c o /(mol l 1 ) c o = 0.01 mol l 1

9 20.11 Was ist ein Indikator? Wie ist sein Umschlagsbereich definiert? Indikatoren sind org. Farbstoffe, deren Farbe in Lösung vom ph-wert abhängt. Indikatoren sind schwache Säuren. Der Umschlagsbereich eines Indikators liegt beim pk S -Wert der schwachen Säure HInd Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Neutralisation von H 3 PO 4 mit KOH. H 3 PO KOH K 3 PO H 2 O Bei der Neutralisation von 1 M HCl mit 1 M NaOH erwärmt sich die Lösung. Nimmt man statt HCl 1 M Essigsäure, ist die Erwärmung gering. Begründen Sie den Unterschied. HCl: starke Säure, vollständige Dissoziation, keine Energie zur Dissoziation notwendig. H 3 CCOOH: schwache Säure; unvollständige Dissoziation; zur vollständigen Dissoziation der Essigsäure wird Energie benötigt; sie wird der Umgebung (Lösung) entzogen, daher geringere Erwärmung Warum reagiert die wässrige Lösung von Kaliumcarbonat basisch? K 2 CO 3 ist das Salz einer starken Base (CO 2 3 ). Das Salz hydrolysiert in Wasser (schwächere Base) gemäß folgender Gleichung: K 2 CO 3 + H 2 O KHCO 3 + KOH Worin unterscheiden sich die Titrationskurven von Salzsäure und Essigsäure? Titration von HCl CH 3 COOH ph-wert vor Erreichen niedrig höher des Äquivalenzpunktes ph-wert am Äquivalenzpunkt (ph > 7) Bereich des steilen Anstiegs des ph-wertes breiter schmaler geeigneter Indikator Methylorange Phenolphthalein Bromthymolblau Phenolphthalein

10 20.16 Welche Konzentration haben 25 ml Salpetersäure (HNO 3 ), wenn für die Neutralisation 32 ml einer M KOH-Lösung verbraucht wurden? HNO 3 + KOH H 2 O + KNO 3 c ml 32 ml => zur Neutralisation benötigt man die gleiche Stoffmenge an HNO 3 => y 25 ml = M 32 ml => y = M 32 ml/25ml = mmol => c = y / 25 ml = mol/l Wie viel Gramm Schwefelsäure enthalten 100 ml einer 0.1 M Lösung? Wie viel Gramm Phosphorsäure enthält 1 L 0.1 molare Lösung? a) V = 100 ml = 0.1 l, c = 0.1 mol/l n = 0.1 l 0.1 mol/l = 0.01 mol m = n M = 0.01 mol 98 g/mol = 0.98 g b) n = 1 l 0.1 mol/l = 0.1 mol m = n M = 0.1 mol 98 g/mol = 9.8 g Wieviel Gramm Ammoniak sind zur Neutralisation von 1 g Schwefelsäure notwendig? H 2 SO NH 3 2 NH SO 4 2 mol 1 mol n(h 2 SO 4 ) = 1 g / (98g/mol) = (1/98) mol n(nh 3 ) = (2/98) mol m = (2/98) mol 17 g/mol = g In 1 L eines Acetat-Puffers liegen 0.1 mol Natriumacetat und 0.5 mol Essigsäure (pk S = 4.8 vor). Wie viel molar ist der Puffer? Welchen ph-wert hat dieser Puffer? Welchen ph- Wert hat dieser Puffer nach Zugabe von 40 ml 0.1 M NaOH? c(ch 3 CO 2 Na) = 0.1 mol/l, c(ch 3 CO 2 H) = 0.5 mol/l c(ch 3 CO 2 Na) + c(ch 3 CO 2 H) = 0.6 mol/l der Puffer ist 0.6 molar ph = pks log (c(ch 3 CO 2 H)/c(CH 3 CO 2 Na)) = 4.8 log (0.5/0.1) = = 4.10

11 0.04 l 0.1 mol/l = mol NaOH (neutralisieren mol CH 3 COOH, erzeugen mol CH 3 CO 2 Na) ph = 4.8 log (0.496/0.104) = Bei einem Ammoniak-Puffer (pk B = 4.8) beträgt das Konzentrationsverhältnis von Ammoniak zu Ammoniumchlorid 1:10. Welchen ph-wert hat die Lösung? pk S = 14 pk B = 9.2 ph = 9.2 log (10/1) = Sie benötigen einen etwa 0.2 M Puffer bei ph = 6.9. Welche Puffersubstanzen würden Sie nehmen? Welche Mengen (in Gramm) müssten Sie für 100 ml Pufferlösung einwiegen. 0.2 molarer Puffer: 0.1 mol/l Säure, 0.1 mol/l korrespondierende Base ph = pk s, eine geeignete Säure wäre NaH 2 PO 4, die zugehörige Base Na 2 HPO 4 n = 0.1 mol/l 0.1 l = 0.01 mol; NaH 2 PO 4 = g/mol Na 2 HPO 4 = g/mol m(nah 2 PO 4 ) = ~ 1.20 g m(na 2 HPO 4 ) = ~ 1.42 g Warum ist der Kohlensäure-Puffer für den Menschen so bedeutsam? Hält den ph-wert des Blutes bei 7.4; ph-stabilität vieler biologischer Flüssigkeiten Welches ist die stärkste Säure im Körper des Menschen und wo befindet sie sich? HCl im Magen Durch welche Organe wird der Säure-Base-Haushalt des Menschen reguliert? Niere (HCO 3 ); Lunge (H 2 CO 3 )