Säure - Base - Theorien

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1 Säure Base Theorien S. Arrhenius (1887) Säuren sind Stoffe, die in wässriger Lösung H + (aq) Ionen bilden, während Basen OH (aq) Ionen bilden. H 2 SO 4, HNO 3, HCl, NaOH, Ba(OH) 2, aber: NH 3, CH 3, OCH 3? Neutralisation: H + (aq) + OH (aq) H 2 O

2 J. Brönsted, T. Lowry (1923) Säure Base Theorien Säuren sind Stoffe, die Protonen abgeben können (Protonendonatoren). Basen sind Stoffe, die Protonen aufnehmen können (Protonenakzeptoren). H 2 SO 4, HNO 3, HCl, NaOH, Ba(OH) 2, NH 3, CH 3, OCH 3 Neutralisation: H 3 O + + OH H 2 O + H 2 O

3 Das Konzept von Brönsted und Lowry Eine Säure ist ein ProtonenDonator. Eine Base ist ein ProtonenAkzeptor. Eine SäureBaseReaktion ist die Protonenübertragung von einer Säure auf eine Base. HA + B A + HB + Säure 1 Base 1 Base 2 Säure 2 Bei einer SäureBaseReaktion treten immer zwei konjugierte Säure BasePaare auf.

4 Beispiele für SäureBaseReaktionen in wässriger Lösung S1 B2 B1 S2 HNO 3 + H 2 O NO 3 + H 3 O + HCl + H 2 O Cl + H 3 O + H 2 O + CO 3 2 OH + HCO 3 H 2 O + HCO 3 OH + H 2 CO 3 Wasser und Hydrogencarbonat können sowohl als Säure als auch als Base reagieren. Diese Eigenschaft wird als Amphoterie bezeichnet.

5 Die Autoprotolyse des Wassers Wasser kann als amphotere Verbindung mit sich selbst eine SäureBaseReaktion eingehen, wenn auch in sehr geringem Ausmass. S1 B2 B1 S2 H 2 O + H 2 O OH + H 3 O + K a a + H3O OH = = a a + a a H3O OH 2 H2O H2O a = H O 1

6 Für 25 C gilt: K = a a = 10 + H3O OH 14 In verdünnten Lösungen können die Aktivitätskoeffizienten gleich 1 gesetzt werden: K c c 14 = = 10 w + H3O OH K w ist die Autoprotolysekonstante oder das Ionenprodukt des Wassers.

7 In reinem Wasser ist die Konzentration von H 3 O + und OH immer gleich. Daher gilt bei 25 C: 14 7 c = c = 10 = 10 + H3O OH und c H O = c = 10 mol dm OH

8 Die phskala a ph = log10a H + a poh = log10aoh ph log c + = 10 poh= log H 10cOH a ph = log10a = log H 10( c γ ) = ph log H H 10γH a ph ph = + γ = 1 H

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10 Reines Wasser besitzt bei 25 C den phwert 7. ph < 7: saure Lösung ph > 7: basische oder alkalische Lösung In wässrigen Lösungen gilt: pk w = ph + poh = 14 K c c w = + = 10 H3O OH 14

11 Stärke von Säuren und Basen HA + H 2 O H 3 O + + A A + H 2 O HA + OH K a = c c + c c H3O c HA A K b = HA OH c A pk log K a = 10 a pkb = log10kb

12 Eine starke Säure hat einen grossen K a Wert (einen kleinen oder negativen pk a Wert). Eine starke Base hat einen grossen K b Wert (einen kleinen oder negativen pk b Wert). c + c c c 3 OH Ka Kb = = c + c = K H w = 10 3O OH c c H O A HA 14 HA Für korrespondierende SäureBasePaare gilt: A pk + pk = 14 a b

13 Säurestärke von ElementwasserstoffVerbindungen H H Säurestärke: H C H < N H < O H < H F H H H EN: pk a ca Säurestärke: H I > H Br > H Cl > H F r x /pm EN: pk a

14 Saure und basische Hydroxyverbindungen EN: x E O H Spaltung führt zu basischer Lösung Spaltung führt zu saurer Lösung E EN + H 2 O E EN Na K Sr Tl Sn (II) Pb (II) Bi Cr (III) Mn (II) E O H E O H E(H 2 O) n + + OH E O + H 3 O + C N P As S Se Cl Br I Achtung: Die Elektronegativität hängt von der Oxidationsstufe ab! z.b. Pb (II) : 1.8 ; Pb (IV) : 2.3

15 Stärke von Oxosäuren O Säurestärke: O Cl O > O Cl O > O Cl O > O Cl H O H O H H pk a

16 HendersonHasselbalchGleichung HA + H 2 O H 3 O + + A K a c c + H3O A = c + c H3O HA = K c a HA c A log + logk H a log c c = 3O c HA A

17 log + logk H a log c c = 3O c HA A log + logk H a log c c = + 3O c A HA HA ph pka log c = c A A ph pka log c = + c HA

18 Bedeutung der HendersenHasselbalchGleichung Bei bekanntem phwert kann man das Konzentrationsverhältnis von Säure HA und konjugierter Base A berechnen. Bei ph = pk a ist c HA = c A Dieser phwert ist der Wendepunkt der Pufferkurve. A ph pka log c = + c HA

19 Pufferkurven A ph pka log c = + c HA n A ph = pka + log nha

20 Puffer: Lösung einer schwachen Säure, zusammen mit ihrer konjugierten Base in Wasser. Schwache Säuren und ihre konjugierten Basen dissoziieren nur in geringem Ausmass. HA = HA(zugegeben) = (zugegeben) ph = p a +log (zg) HA(zg)

21 Phosphatpuffer H 2 PO 4 H + HPO 4 2 p = 7.23 Welches Konzentrationsverhältnis ist einzustellen, um einen Puffer mit ph = 7.00 zu erhalten? A (zg) HA(zg) =10 %&'%( )=10 *.++'*., = = HPO 4 2 H2 PO 4

22 Indikatorgleichgewichte HIn + H 2 O H 3 O + + In K a = c c + H3O chin In In ph pka log c = + chin Für den Farbumschlagpunkt gilt: c c = + 3 HIn In c = ph= pka H O K a

23 Dissoziation sehr starker Säuren und Basen HA + H 2 O H 3 O + + A B + H 2 O HB + + OH Konzentration der Säure HA: c a Konzentration der Base B: c b Im Gleichgewicht gilt: c H O 3 + = c a c = c OH b ph= logc a poh= logc b ph= 14 poh ph= 14+ logc b

24 Dissoziation einer schwachen Säure HA HA + H 2 O H 3 O + + A Konzentration der Säure HA: c 0 K a = c c + H3O A c HA c = = c HA = c 0 x + c x H3O A K a = c 0 2 x x

25 2 x + Ka x Ka c 0 = 0 c 2 + H O a a a = x= K + K + K c 2 4 c = c + x K H3O a 0 1 ph (pka log c 0) 2

26 Zusammenfassung phberechnung phwert einer starken Säure phwert einer schwachen Säure ph= log ph p log phwert einer starken Base phwert einer schwachen Base ph=14+log ph 14 p log phwert einer Pufferlösung ph=p a +log HA