Stoffe oder Teilchen, die Protonen abgeben kånnen, werden als SÄuren bezeichnet (Protonendonatoren).

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1 O C 50 Chemie Technische BerufsmaturitÄt BMS AGS Basel Kapitel 6 SÄuren und Basen Baars, Kap. 12.1; 12.2; 13 Versuch 1 Ein Becherglas mit Thermometer enthält violette FarbstofflÅsung und eine kleine Probe Zinkgranulat. 20 ml einer FlÇssigkeit werden dazu gegeben. In ml Beobachtung: Die LÅsung verfärbt sich rot, Die Temperatur steigt und das Zink låst sich unter Gasentwicklung auf. WÄssrige LÅsungen, die sauer schmecken, Lackmus rot färben und unedle Metalle auflåsen bezeichnet man als saure LÅsungen. Saure LÅsungen entstehen, wenn SÄuren in Wasser gegeben werden. Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser nach folgender Gleichung: H 2 O + HCl H 3 O + + Cl - ChlorwasserstoffmolekÇle haben jeweils ein Wasserstoffatom als H + -Ion (Proton) an ein WassermolekÇl abgegeben. Die entstandenen H 3 O + -Ionen (Hydroniumionen) sind verantwortlich fçr den sauren Charakter der LÅsung. Stoffe oder Teilchen, die Protonen abgeben kånnen, werden als SÄuren bezeichnet (Protonendonatoren). Wichtige Vertreter: AmeisensÄure HCOOH PhosphorsÄure H 3 PO 4 EssigsÄure CH 3 COOH SalpetersÄure HNO 3 SÄuren und Basen 53 RRi

2 O C 50 Chemie Technische BerufsmaturitÄt BMS AGS Basel ChlorwasserstoffsÄure HCl KohlensÄure H 2 CO 3 SchwefelsÄure H 2 SO 4 CyanwasserstoffsÄure HCN Versuch 2 Ein Becherglas mit Thermometer enthält violette FarbstofflÅsung und eine kleine Probe Zinkgranulat. 20 ml einer FlÇssigkeit werden dazu gegeben. In ml Beobachtung: Die LÅsung verfärbt sich blau, Die Temperatur steigt und das Zink låst sich nicht auf. WÄssrige LÅsungen, die seifig schmecken, Lackmus blau färben und unedle Metalle nicht auflåsen bezeichnet man als alkalische LÅsungen. Alkalische LÅsungen (Laugen) entstehen, wenn Basen in Wasser gegeben werden. Ammoniak reagiert mit Wasser nach folgender Gleichung: H 2 O + NH 3 OH - + NH 4 + AmmoniakmolekÇle haben jeweils ein Wasserstoffatom als H + -Ionen von einem WassermolekÇl aufgenommen. Die entstandenen OH - -Ionen (Hydroxidionen) sind verantwortlich fçr den alkalischen Charakter der LÅsung Stoffe oder Teilchen, die Protonen aufnehmen kånnen, werden als Basen bezeichnet (Protonenakzeptor). Wichtige Vertreter: Ammoniak NH 3 Amine R-NH 2 Hydroxide OH - Oxide O 2- SÄuren und Basen 54 RRi

3 In den obigen Reaktionen von SÄuren und Basen mit Wasser werden H + -Ionen, sog. Protonen zwischen Teilchen verschoben. Die ProtonenÇbergabe zwischen Stoffen oder Teilchen wird als Protolyse bezeichnet. Versuch Zwei Kristallisierschalen mit je einer konzentrierten LÅsung an Chlorwasserstoff (SalzsÄure) und Ammoniak (Salmiakgeist) werden nebeneinander gestellt und mit einer gråsseren Schale abgedeckt. Beobachtung: Éber den Schalen bildet sich Rauch. Am Glas setzt sich ein weisser Niederschlag ab. ErklÄrung: Die SÄure HCl hat ihr Proton an die Base NH 3 abgegeben. Aus den entstandenen Ionen Cl - und NH 4 + bildet sich das Salz Ammoniumchlorid NH 4 Cl. HCl + NH 3 Cl - + NH 4 + Die ProtonenÇbergabe zwischen Stoffen oder Teilchen wird als Protolyse bezeichnet. Protolysen finden auch ohne Wasser, direkt zwischen SÄure und Base statt. Es sind im Allgemeinen Gleichgewichtsreaktionen. HA + B A - + BH + Aufgaben 1. Was ist ein Hydronium-Ion und wie entsteht es? 2. a) Wie nennt man Reaktionen, bei denen Protonen H + Çbertragen werden? b) Wie bezeichnet man Stoffe, die H + abgeben beziehungsweise solche die H + aufnehmen? 3. Gegeben sind die folgenden Teilchen: NH 3 OH - - HCN H 2 O HSO 4 H 3 O + O SO 4 NH 4 H 2 SO 4 Formulieren Sie daraus so viele Protolysenreaktionen bis jedes Teilchen mindestens einmal vorkommt. 4. Wie lassen sich Basen nachweisen? SÄuren und Basen 55 RRi

4 Autoprotolyse von Wasser Reines Wasser ist nicht wie andere flçchtige Stoffe ein Isolator, sondern wenig elektrisch leitfähig. Es muss also Ionen enthalten. Diese entstehen weil Wasser sowohl als SÄure, wie auch als Base auftreten und somit als sogenannter Ampholyt sich selbst protolysieren kann: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - Durch genaue LeitfÄhigkeitsmessungen lassen sich die Konzentrationen an Hydroniumionen und Hydroxidionen im reinen Wasser bestimmen. Die Konzentrationen werden Çblicherweise als Stoffmengenkonzentration c in mol/l angegeben: c(h 3 O + ) = c(oh - ) = 1Ñ 10-7 mol/l FÇr wässrige LÅsungen ist das Produkt aus den beiden Konzentrationen eine konstante GrÅsse. Man bezeichnet die Konstante als Ionenprodukt des Wassers: K W = c(h 3 O + ) c(oh - ) = mol 2 /L 2 (25ÖC) Daraus ergeben sich fçr saure, alkalische und neutrale LÅsungen die folgenden ZusammenhÄnge: Charakter der LÄsung c(h 3 O + ) c(oh - ) sauer > 10-7 mol/l < 10-7 mol/l neutral = 10-7 mol/l = 10-7 mol/l alkalisch < 10-7 mol/l > 10-7 mol/l Der ph-wert Der Charakter einer wässrigen LÅsung kann also auch mit der H 3 O + -Ionenkonzentration allein beschrieben werden. Eine vereinfachte Schreibweise dafçr ist der ph-wert: ph = -log c(h 3 O + ) resp. c(h 3 O + )= 10 -ph Charakter der LÄsung sauer neutral alkalisch ph < 7 = 7 > 7 Der ph-wert einer LÅsung ist bestimmt durch die Konzentration an zugegebener SÄure oder Base und durch die SÄurestÄrke bzw. BasenstÄrke. Die SÄurestÄrke gibt an, wie vollständig eine SÄure ihr Proton an die Base Wasser abgibt. Die BasenstÄrke gibt an, wie vollständig eine Base ein Proton von der SÄure Wasser aufnimmt. Starke SÄuren und Basen protolysieren zu 100 % SÄuren und Basen 56 RRi

5 Beispiele: 1. Eine wässrige LÅsung enthält pro Liter 1 mmol gelåste starke SÄure. a) Wie gross ist ihr ph-wert? b) Wie gross ist c(oh - )? a) ph = -log 0,001 = 3 b) c(oh - ) = mol 2 /L 2 : 10-3 mol/l = mol/l 2. Ein Liter Natronlauge enthält 0,20 g Natriumhydroxid NaOH. Welchen ph-wert hat die LÅsung? c(oh - ) = c(naoh) = 0,20g/L : 40g/mol = 0,005 mol/l c(h 3 O + )= mol 2 /L 2 : mol/l = mol/l ph = -log = 11,6989 = 11,7 3. Wie gross sind c(h 3 O + ) und c(oh - ) in einer LÅsung vom ph 10? c(h 3 O + )= 10 -ph = mol/l c(oh - ) = mol 2 /L 2 : mol/l = 10-4 mol/l ph-messung Indikatoren Farbstoffe, die bei einem bestimmten ph ihre Farbe Ändern. Elektroden Messung der von c(h 3 O + ) abhängigen Spannung zwischen zwei Elektroden. Aufgaben 1. In einer wässrigen LÅsung wird eine Hydroxidionenkonzentration von 10-9 mol/l gemessen. a) Ist die LÅsung alkalisch, sauer oder neutral? b) Wie gross ist c(h 3 O + ) in der LÅsung? 2. Welchen ph-wert hat eine SalzsÄure mit c(hcl) = 0,02 mol/l? 3. Welchen ph hat eine Natronlauge mit c(naoh) = 0,005 mol/l? 4. Wie gross ist c(oh - ) in einer LÅsung mit ph 5,5? mg Kaliumhydroxid werden in Wasser gelåst und auf 500 ml gestellt. Welchen ph hat die LÅsung? 6. Wie gross ist der ph-wert eines GewÇrzessigs der Konzentration 60 g/l, wenn EssigsÄure darin nur zu 0,1 % protolysiert vorliegt? SÄuren und Basen 57 RRi

6 Neutralisation Gleiche Mengen alkalischer und saurer LÅsungen mit jeweils gleich grosser c(h 3 O + ) und c(oh - ) ergeben zusammengefçgt eine neutrale LÅsung. Die Hydronium- und die Hydroxid- Ionen reagieren zu Wasser: H 3 O + + OH - H 2 O + H 2 O Neutralisationsreaktionen werden meist als Stoffgleichungen mit den beteiligten SÄuren und den entsprechenden Hydroxiden der alkalischen LÅsung formuliert: SÄure + Hydroxid Wasser + Salz HCl + NaOH H 2 O + NaCl H 2 SO NH 4 OH 2 H 2 O + (NH 4 ) 2 SO 4 2 H 3 PO Ca(OH) 2 6 H 2 O + Ca 3 (PO 4 ) 2 Die Namen der entstehenden Salze leiten sich ab aus dem Namen des Metalls oder Kations der Hydroxide und dem Namen des SÄure-Anions. HCOO- -formiat - NO 3 -nitrat CH 3 COO - -acetat 2- CO 3 -carbonat Cl - -chlorid CN - -cyanid 2- SO 4 -sulfat - ClO 3 -chlorat 3- PO 4 -phosphat + NH 4 Ammonium- Aufgaben 1. Formulieren Sie die Stoffgleichung der vollständigen Neutralisation und benennen Sie das entstehende Salz! a) AmeisensÄure und Kaliumhydroxid b) SchwefelsÄure und Natriumhydroxid c) SalpetersÄure und Calciumhydroxid d) Cyanwasserstoff und Ammoniumhydroxid 2. Formulieren Sie die Neutralisationsreaktion, bei der die folgenden Salze entstehen: a) Calciumsulfat b) Ammoniumnitrat c) Aluminiumcarbonat d) Magnesiumphosphat 3. Nennen Sie Anwendungen von SÄuren und Basen resp. ihren wässrigen LÅsungen a) aus dem Berufsfeld b) aus Technik und Industrie 4. Welche Vorsichtsmassnahmen sind im Umgang mit SÄuren und Basen zu treffen? SÄuren und Basen 58 RRi