Säure-Basen-Reaktionen

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1 Lösung 6 SäureBasenReaktionen Aufgabe 1 Wie sauer ist unser Mineralwasser? Im System CO (g)/hco * (aq)/hco (aq)/co (aq) sind folgende Gleichgewichte zu berücksichtigen: CO (g) + H O (l) H CO * (aq) logk = 1.47 H CO * (aq) + H O (l) H O (aq) + HCO (aq) = 6.4 HCO + H O (l) H O + CO pk = 1. Wenn der Gleichgewichtsdruck von CO (g) konstant ist (wie in unserem Beispiel), so führt das zu einer konstanten Konzentration von H CO * (aq): * HCO c p 1.47 = 1 * 1.47 CO 1.9 [HCO ] = 1 1 M = M = 1 M pco p p Dieses System kann graphisch sehr schön gelöst werden. Die Protonenherkunftsgleichung lautet: + [H ] = [HCO ] + [CO ] + [HO ] Die Inspektion der Graphik zeigt, dass am Schnittpunkt [ ] = [HCO ] die Konzentrationen von HO und CO so klein sind, dass sie vernachlässigt werden können. Die vereinfachte Protonenherkunftsgleichung lautet nun: [ ] [HCO ] Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden ist der Gleichgewichtspunkt des Systems. Die graphische Lösung ist auf der nächsten Seite abgebildet.

2 log[spezies] vs. pk log[spezies] HCO H CO * HO CO Der Wert im Gleichgewicht liegt zwischen.8 und.9. Behandelt man H CO * als einprotonige Säure, so resultiert nach Anwendung 1 der Formel = ( pka log c a ) ein Wert von.85.

3 Aufgabe Saurer Regen Hier handelt es sich um das gleiche System wie in Aufgabe 1, mit dem Unterschied, dass c a wesentlich kleiner ist. Bei einem Partialdruck des CO von bar resultiert in der Wasserphase eine Konzentration von 1. 1 M Kohlensäure (HCO *, vergleiche Übung 4). Auch hier lautet die vereinfachte Protonenherkunftsgleichung: [ ] [HCO ] log[spezies] vs. log[spezies] HCO pk H CO * 1 1 HO CO Die graphische Lösung sieht dann so aus: Der Wert beträgt 5.7. Mathematisch kann man wieder H CO * als einprotonige Säure behandeln und erhält nach Lösen der quadratischen Gleichung für [ ] einen Wert von 5.7.

4 Die Eleganz der graphischen Lösung besteht (u.a.) darin, dass man die zu vernachlässigenden Spezies auf einen Blick sieht, was in der mathematischen Behandlung nicht immer evident ist. Aufgabe Puffer Mit der HendersonHasselbalchGleichung bestimmen wir zuerst das Verhältnis von Acetat zu Essigsäure bei = 5.. [AcO ] 5. = log [HOAc] [AcO ] [HOAc] = 1.78 g NaOAc entsprechen.44 mol NaOAc (Natriumacetat). Dem Ergebnis der HendersonHasselbalchGleichung entnehmen wir: n AcO = 1.78 n HOAc Die Summe n AcO + n HOAc muss der total eingesetzten Stoffmenge NaOAc entsprechen. n AcO + n HOAc =.44 mol. Aus diesen Gleichungen folgt: n HOAc = mol = 87.8 mmol. Da wir nur Natriumacetat zugegeben haben, müssen wir die 87.8 mmol Essigsäure durch Zugabe von Salzsäure erzeugen. Die Flasche mit Natronlauge brauchen wir nicht mmol HCl sind in 9. ml molarer Salzsäure enthalten. Ein Rezept zur Herstellung der Pufferlösung könnte nun etwa so aussehen: Auflösen von g Natriumacetat in 1 ml Wasser. Zugabe von 9. ml Salzsäure ( M). Auffüllen mit Wasser auf ml Totalvolumen.

5 Aufgabe 4 Wäsche 1 g Soda entsprechen einer Stoffmenge von 1.98 mol. Dies ergibt eine Konzentration von.198 M. M. => logc a.7 Bei Zugabe einer protonenfreien Base ist es oft einfacher, anstelle der Protonenherkunftsgleichung eine HydroxidionenHerkunftsgleichung aufzustellen. Für unseren Fall lautet sie: + [HO ] = [HCO ] + [H CO ] + [H ]. + Am Punkt [H O ] = [HCO ] sind jedoch sowohl [H ] als auch [HCO ] viel kleiner als [HO] und [HCO ]. Sie können vernachlässigt werden. Die vereinfachte Gleichung lautet nun: [H O ] [HCO ] Die graphische Lösung sieht so aus: log[spezies] vs. pk log[spezies] HCO CO 9 H CO * HO Der so bestimmte Wert beträgt 11.8.

6 Aufgabe 5 Sirup Wir zeichnen uns das übliche Diagramm log[spezies] vs. von Zitronensäure. Wir verwenden folgende Abkürzungen: H Zi: Zitronensäure H Zi : DihydrogenzitratAnion HZi : HydrogenzitratDianion Zi : ZitratTrianion Die ProtonenHerkunftsgleichung sieht so aus: + [H ]=[HZi ]+ [Zi ][H Zi]+[HO ] oder + [H ] + [HZi] =[HZi ]+ [Zi ]+[HO ] Die Summe [ ] + [H Zi] ist im Diagramm stärker ausgezogen. Man kann sie wie auch die anderen Kurven in vereinfachter linearer Darstellung zeichnen.

7 log[spezies] vs pk pk H Zi HZi HZi H Zi Zi H Zi HO Am Punkt [ ] + [H Zi] = [HZi ] sind [Zi ] und [HO ] so klein, dass wir sie vernachlässigen können. Der Lösungspunkt ergibt so =.7. Hätten Sie Zitronensäure anstelle von Natriumdihydrogenzitrat genommen, so sähe die ProtonenHerkunftsgleichung wie folgt aus: [H ]=[H Zi ]+ [HZi ]+ [Zi ]+[HO ] + Am Punkt [ ] = [H Zi ] sind die übrigen Konzentrationen vernachlässigbar klein. Die graphische Lösung lautet:

8 log[spezies] vs. pk pk 1 H Zi HZi HZi H Zi Zi H Zi HO Der dieses Sirups beträgt..