Prüfungsvorbereitung für beide Abschlussprüfungen (Teil I+II) Säure-Base-Titrationen und ph-werte

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1 Prüfungsvorbereitung für beide Abschlussprüfungen (Teil I+II) äure-base-titrationen und ph-werte CC/CC 1. Aufgaben zur toffchemie und zur äure-base-theorie 1.1 Folgende alze werden in Wasser gelöst. Begründen ie, ob dabei jeweils eine saure, eine eher neutrale oder eine eher alkalische ösung entsteht. (Abschlussprüfungen Teil 1, Jahr 006, 008): Natriumcarbonat, Ammoniumchlorid Calciumchlorid, Kaliumsulfat, Kaliumacetat, Ammoniumsulfat, Kaliumchlorid, Natriumnitrat, 1. Formulieren ie die Reaktionsgleichungen folgender Reaktionen und geben ie an, welche davon äure-base- Reaktionen sind. a) Natronlauge reagiert mit alzsäure. b) Wasserstoffperoxid reagiert mit Iodwasserstoffsäure zu Iod und Wasser. c) Bariumhydroxidlösung (Barytwasser) reagiert mit chwefelsäure. d) Kohlensäure reagiert mit Kalkwasser (Calciumhydroxid-ösung) e) Iodwasserstoffsäure reagiert mit Magnesiumhydroxid. 1. Geben ie an, welches der folgenden Teilchen als Brønstedsäure oder als Brønsted-Base reagieren kann. Geben ie die passende Reaktionsgleichung der Protonenaufnahme bzw. Protonenabgabe an. ( Abschlussprüfungen Teil 1, Jahr 008)): Oxid-Ion, Carbonat-Ion, Ammonium-Ion, Perchlorat-Ion, Chlorid-Ion. 1. Geben ie zu alle der folgenden Aussagen erst die passende Reaktionsgleichung an. chreiben ie dann alle 5 beteiligten korrespondierende äure-base-paare heraus und ordnen ie die darin enthaltenen äuren aufgrund der Aussagen nach steigender äurestärke (Abschlussprüfungen Teil 1, Jahr 009). a) chwefelwasserstoff kann Cyanid-Ionen quantitativ protonieren. b) Oxonium-Ionen können Dihydrogenphosphat-Ionen quantitativ protonieren. c) Essigsäure kann Hydrogensulfid-Ionen quantitativ protonieren. d) Phosphorsäure kann Acetationen vollständig protonieren.. ph-werte und Puffer.1 Eine Natronlauge hat die Dichte ρ = 1,007 g/m und einen Massenanteil von w(naoh) = %. Berechnen ie den ph-wert der ösung. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, Winter 009/010).. Eine alzsäurelösung hat den ph 1 und eine Essigsäurelösung einen ph,9. Berechnen ie jeweils die äurekonzentration. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, ommer 009).. Zu,00 einer Ammoniaklösung, c(nh ) = 0,015 / wird Ammoniumchlorid mit w(nh Cl) = 88, % zugegeben, um einen Puffer von ph = 8,00 zu erhalten. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, ommer 010). a) Berechnen ie die einzusetzende Masse an Ammoniumchlorid. b) Warum ist die Pufferwirkung der Pufferlösung nur gering? c) Warum darf der Puffer nicht erwärmt werden?

2 . Eine Ammoniaklösung mit c(nh ) = 0,05 / besitzt einen Dissoziationsgrad von α =,75%. Berechnen ie den ph-wert der ösung (Abschlussprüfung Teil I, Jahr 009). äure-base-titrationen.1 Zur Bestimmung des Essigsäuregehalts wurden,08 g einer festen Probe abgewogen und in 50 m H O gelöst. Es wurde anschließend mit 0,1-M-Natronlauge ( t = 0,9975) titriert. In der Probelösung wurden 0,5 m Essigsäure gefunden. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, Winter 005/06). a) Geben sie die Reaktionsgleichung an. b) Berechnen ie den Verbrauch an Maßlösung und den Massenanteil der Essigsäure. c) Welcher der beiden Titrationskurven kann dieser Bestimmung zugeordnet werden? Geben ie dafür drei Begründungen an ph 6 5 ph V(NaOH) [m] V(NaOH) [m] d) Berechnen ie zur Kontrolle den ph-wert der essigsauren Probelösung zu Beginn der Titration m einer Phosphorsäurelösung werden gegen 1-M-NaOH-Maßlösung (t = 0,907) potenziometrisch titriert. Die grafische Auftragung ergibt folgendes Diagramm. a) Geben ie den Punkten 1-5 Bezeichnungen. 1 Titration von Phosphorsäure b) Erklären ie kurz den Verlauf der Titrationskurve c) Berechnen ie den Gehalt an Phosphorsäure ph-wert V(NaOH). Zeichnen ie den ph-verlauf bei folgenden alkalimetrischen Bestimmungen mit NaOH als Maßlösung. Gehen ie von einer äurekonzentration und Basenkonzentration von ca. 0,1 / aus. a) alzsäure b) Essigsäure c) chwefelsäure

3 Markieren ie kurz charakteristische Punkte im Kurvenverlauf und erklären ie stichwortartig wie der unterschiedliche Verlauf zustande kommt. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, ommer 007). Zur Bestimmung des Massenanteils an Oxalsäure in einem Feststoff wurden 1000 mg eingewogen und auf 100 m Gesamtvolumen mit H O gelöst. 0,00 m der Probe verbrauchten bei der Titration mit NaOH (c 0,1 /, t= 1,005) und Phenolphthalein als Indikator bis zum Äquivalenzpunkt 8,1 m. Berechnen ie den Massenanteil w(oxalsäure) im Feststoff. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, ommer 007).5 Eine ösung enthält neben Natriumdihydrogenphosphat auch Dinatriumhydrogenphosphat. a) Wie werden solche ösungen genannt? Nennen ie drei weitere Beispiele für solche ösungen. b) Gibt man zu der ösung etwas äure oder auge, so ändert sich der ph-wert kaum. Begründen ie mit geeigneten Reaktionsgleichungen. c) Die Konzentration beider alze beträgt jeweils 0,1 /. Berechnen ie den ph-wert der ösung. d) In 1 iter der Flüssigkeit werden,00 g Natriumhydroxidplätzchen gelöst. Berechnen ie den resultierenden ph- Wert der ösung. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung Winter 00/05).6 Chlorsäure (HClO ) und Hypochlorige äure (HClO) liegen jeweils in der Konzentration c = 0,1 / vor. 5 m der äure werden zuerst mit H O auf das doppelte Volumen verdünnt. Anschließend werden ie jeweils mit 0,1-arer KOH-ösung titriert. Hinweis: pk (HClO ) = -,7; pk (HClO)= 7,5 (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung, ommer 01) a) Zeichnen ie die beiden zu erwartenden Titrationskurven möglichst genau in geeigneter kalierung in ein gemeinsames Diagramm. Achten ie dabei auch auf folgende Teilaspekte: jeweils korrekter Anfangs-pH-Wert unmittelbar vor Beginn der Titration, d.h. nach dem Verdünnungsschritt mit Wasser (entsprechende Rechnungen angeben) jeweils korrekter ph-wert der Äquivalenzpunktes (entsprechende Rechnungen angeben, Punkte im Diagramm markieren). b) Erklären ie den flachen Kurvenverlauf rund um den Halbäquivalenzpunkt bei der Titration der Hypochlorigen äure mit Reaktionsgleichungen m einer konzentrierten Ammoniaklösung werden auf 000 m mit Wasser verdünnt. 0 m dieser Verdünnung verbrauchen bei der anschließenden Titration 8,6 m 0,1-M-alzsäure. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung ommer 01) a) Berechnen ie die toffmengenkonzentration der konzentrierten Ammoniaklösung. b) kizieren ie ein vollständig beschriftetes Titrationskurven-Diagramm und beschriften ie charakteristische Punkte. c) Begründen ie, warum der Äquivalenzpunkt im auren liegt. Berechnen ie den genauen ph-wert, wenn man davon ausgeht, dass die Ammoniumchlorid-Konzentration 15 m/ beträgt. d) Erklären ie die Pufferwirkung einer ösung, die ähnliche toffmengen an Ammoniak (NH ) und an Ammoniumionen (NH + ) enthält.

4 ösungen ohne Gewähr Die meisten Antworten sind ausführlicher als bei einer Prüfung erwartet, um den erneffekt zu maximieren. Wenn ie von diesen Musterlösungen profitieren, dann geben ie etwas zurück, indem ie mich auf Rechenfehler, Verständnisschwierigkeiten o.ä. aufmerksam machen. etztendlich profitieren auch andere chüler davon, wenn die Musterlösungen weitgehend fehlerfrei und verständlich sind..1 Zuerst wird in die toffmengenkonzentration c(naoh) umgerechnet. g g ( NaOH ) w( NaOH ) ( sg) 0,0 100,7 0,1 g 0, 1 ( NaOH ) c( NaOH ) 0,510 M ( NaOH ) g 9,9971 Da nun auch c(oh ) bekannt ist, kann der ph-wert berechnet werden: => c(oh ) = 0,510 / => poh = lg c(oh ) = - lg 0,510 0,9 => ph = 1 poh = 1 0,9 1,71. alzsäure ist eine starke äure, so dass näherungsweise gilt: c(h O + ) c(hcl) = 10 ph => c(hcl) ,1 / Essigsäure ist eine schwache äure, für die gilt: c( HO ) K c0 ( äure) => > ( ) 0( ) 0( ) K c H O K c äure c äure c ( H O ) Aus ph =,9 folgt: c(h O + ) = 10,9 0, / K (HAc) 1, / (rotes Tabellenbuch) 0, c0 ( HAc) 0, , [alternativ wäre auch eine Berechnung über ph pk lg c0 ( äure) möglich gewesen]. fehlt noch.1. a) CH COOH (aq) + NaOH (aq) NaCH COO (aq) + H O b)

5 Aus der Reaktionsgleichung geht hervor: Pro Essigsäureekül wird eine Formeleinheit NaOH verbraucht. Wenn 5, m Essigsäure vorhanden sind, werden n(naoh)= 5, m NaOH verbraucht. Es muss also berechnet werden, in welchem Volumen V ÄP(NaOH), die toffmenge n(naoh) enthalten sind. - Berechnung der wahren Konzentration der Maßlösung c( NaOH) t c ( NaOH) 0, , 1 0, c) - Berechnung des Volumens V ÄP(NaOH) n(naoh) V(sg)= c(naoh) 0, , 005 5, m 0, Der ph-wert zu Beginn stimmt mit dem errechneten Wert überein. - Am Äquivalenzpunkt liegt eine Natriumacetatlösung vor. ie reagiert alkalisch, der Äquivalenzpunkt findet sich also im alkalischen Bereich. Dies gilt allgemein bei der Titration von schwachen äuren mit starken Basen. - Bei der Titration treten neben dem Wendepunkt am ph-prung (= Äquivalenzpunkt) noch weitere Wendepunkte auf. o liegt ein Wendepunkt bei ph =,75, dem pks-wert der Essigsäure. - Titriert man eine schwache äure als Analyt, so ist der ph-prung kleiner als bei einer starken äure als Analyt. d) In 50 m liegen 0,5 m Essigsäure vor. n( HAc) 0,0005 => c0 ( HAc) 0,010 V ( sg.) 0,05 c( H O ) K c ( äure) 0 5 1, , 010, ph = - lg,88 10 /,7. a) 1) pk 1(H PO ) (Begründung siehe b)) ) ÄP1 für die Reaktion H PO + NaOH NaH PO + H O bzw. H PO + OH H PO + H O ) pk (H PO ) (Begründung siehe b)) ) ÄP für die Reaktion H PO + NaOH Na HPO + H O bzw. H PO + OH HPO + H O

6 5) pk (HPO ) (Begründung siehe b)) b) Alle äureanionen und die undissoziierte äure stehen über miteinander gekoppelte chemische Gleichgewichte in Verbindung. An den Punkten 1, und 5 erkennt man Regionen, an denen der ph-wert trotz fortgesetzter NaOH-Zugabe stabil bleiben. Hier liegen jeweils äuren und ihre korrespondierenden Basen (HA/A ) in ähnlicher Konzentration nebeneinander vor. Die größte Pufferwirkung ist dabei gegeben, wenn die Konzentration an äure und korrespondierender Base gerade gleich groß sind. Die entsprechenden Quotienten c(h PO )/c(h PO ) bzw. c(hpo )/ c(h PO ) bzw. c(po )/ c(hpo ) besitzen dann den Wert 1. Aus der Puffergleichung (HENDERON-HAEBACH-Gleichung) ph pk c( A ) lg c ( HA ) folgt, dass der ph-wert dort gerade dem pk -Wert entspricht. Der dritte Äquivalenzpunkt liegt knapp außerhalb des dargestellten Bereichs. Er liegt in so stark alkalischem Bereich, dass der ph-prung als solcher nicht mehr ausgeprägt ist. V(ÄP) 0,75 m Rkt. Gleichung: H PO + NaOH Na HPO + H O ph-wert n( NaOH ) c( sg) t V ( sg) 1 0, 907 0, , Wegen Koeffizientenverhältnis: n(h PO ) = 0,5 n(naoh) = 9, ,5 0,0 0,5 1,0 1,5,0,5,0 V(NaOH) n( HPO ) 9, c( HPO ) 0, 0955 V ( sg) 0, 1

7 .. 1 Titration HCl Titration H O Titration HAc 1 ph pks(hac) ÄP(HAc) ÄP(HCl) ÄP(H O ) V(NaOH) m Erklärung des Volumenverbrauchs bis zum Äquivalenzpunkt: Da H O eine zweiprotonige äure ist, wird bei der Titration bis zum Äquivalenzpunkt das doppelte Volumen an Maßlösung benötigt wie bei HCl und HAc (gleiche äurekonzentration, gleiches Vorlagenvolumen und gleiche Maßlösung vorausgesetzt).: Erklärung des Anfangs-pH: owohl HCl als auch H O sind starke äuren, man kann also schon zu Beginn von einer vollständigen Protolyse ausgehen (HCl H + + Cl ; H O H + + HO ). Da die Konzentration der äuren c = 0,1 / beträgt, ist der ph-wert zu Beginn ph = - log c(h O + ) = 1. Genau genommen beträgt der ph-wert im Fall der chwefelsäure ph = 0,96, die Abweichung von ph = 1 kommt dadurch zustande, dass auch ein geringer Anteil des HO zu O weiter protolysieren kann. Genaue Rechnungen mit dem Massenwirkungsgesetz zeigen (siehe blaues Buch!), dass die Protolyse von HO nur zu wenigen Prozent zur Gesamtkonzentration an H O + der äurelösung beiträgt. chon am Anfangs-pH- Wert erkennt man, dass Essigsäure eine schwache äure ist. Erklärung des Kurvenverlaufs: Zwar ist H O eine zweiprotonige äure, allerdings sind auf der entsprechenden Titrationskurve nicht zwei Äquivalenzpunkte zu erkennen. Der Grund liegt darin, dass auch HO eine mittelstarke äure ist. Mit zunehmender Neutralisation des H O +, das aus der Protolyse von H O stammt, wird H O + durch die Folgeprotolyse von HO nachgeliefert (Neueinstellung des Gleichgewichts, Prinzip von E CHATEIER). o können die Reaktionen H O (aq) + OH HO + H O und HO (aq)+ OH O + H O nicht getrennt voneinander erfasst werden, sondern nur zusammen. Gibt man NaOH zur Essigsäurelösung so wird HAc zunehmen in Ac überführt. Bei ca. 10 m NaOH-Zugabe ändert sich der ph-wert nur wenig und beträgt ca. ph =,8. Die Titrationskurve verläuft hier flach und besitzt einen Wendepunkt. Um diesem Bereich hat die ösung puffernde Eigenschaften. An diesem Bereich wurden ca. 50% der HAc in Ac überführt. Der genaue ph-wert ergibt sich durch die Puffergleichung (HENDERON-HAEBACH-Gleichung): c( Ac ) ph pk lg. Für c ( HAc ) c(hac) = c(ac ) vereinfacht sich die Gleichung zu: ph pk. Der pk s von Essigsäure kann also an dem Wendepunkt

8 abgelesen werden. Er beträgt pk s(hac) =,75. Am Äquivalenzpunkt wurde HAc vollständig in Ac überführt, so dass an dieser telle eine Natriumacetatlösung vorliegt. Eine solche ösung eines alzes einer schwachen äure reagiert alkalisch. Der ph-wert am Äquivalenzpunkt beträgt damit nicht ph= 7, wie bei der Titration starker äuren, sondern liegt im Alkalischen (ca. ph = 8,8).. Bestimmung von n(naoh) n( NaOH ) c ( sg) t V ( sg) n( NaOH ) 0, 1 1, 005 0, 081 0, Bestimmung von n(oxalsäure) Reaktionsgleichung: HOOC-COOH + NaOH NaOOC-COONa + H O Aus dem Koeffizientenvergleichung folgt: n(c H O ) = 0,5 n(naoh) n(c H O ) = 0, Berücksichtigung der Aliquotierung 100m ngesamt ( CH O ) 0, , m Umrechnung in eine Masse und Berechnung des Massenanteils g m( CH O ) ngesamt ( CH O ) M ( CHO ) 0, , 05 0, 861g m( CH O ) 0, 8611g w( CH O ) 0, , 1% m 1, 000g gesamt.5 a) Es handelt sich um eine Pufferlösung. olche ösungen zeichnen sich dadurch aus, dass ie sowohl eine schwache äure als auch eine dazu korrespondierende Base enthalten in ähnlichen /gleichen Konzentrationen enthalten. Das Konzentrationsverhältnis sollte im Bereich 10:1 bis 1:10 liegen, damit noch eine Pufferwirkung gegeben ist. ind die Konzentrationen beider Teilchen gerade gleich groß, so ist die Pufferwirkung am größten. Der ph-wert an diesem Punkt entspricht dem pk -Wert der schwachen äure HA. Weitere Beispiele: (I): ösung die sowohl HAc als auch Ac enthält (HAc/Ac )-Puffer, (II): ösung die sowohl Phosphorsäure als auch Dihydrogenphosphat-Ionen enthält: (H PO /H PO )-Puffer; (III): ösung die sowohl Ammoniumionen als auch Ammoniak enthält (NH + /NH )-Puffer Der Dihydrogenphosphat-Hydogenphosphat-Puffer ist einer der wichtigsten Blutpuffer, die in ihrer Gesamtheit für die ph- Wert-tabilisierung des Blutes (ph 7,) verantwortlich sind. H PO und HPO finden sind deshalb wichtige Blutbestandteile. b) H O + -Zugabe wird durch Reaktion mit HPO abgefangen: H O HPO H O H PO OH -Zugabe wird durch Reaktion mit H PO abgefangen: OH H PO H O HPO c) Die Berechnung des ph-wertes eines Puffers erfolgt mit der allgemeinen Puffergleichung (HENDERON-HAEBACH- Gleichung): c( A ) ph pk ( HA) lg. c ( HA )

9 HA, steht immer für die korrespondierende äure des äure-base-paars, also der protonenreicheren Variante. Das ist bei uns das H PO. 0,1 / Na(H PO ) enthalten c(h PO )= 0,1 /. pk s(h PO ) = 7,0 (siehe Tabellenbuch). A steht immer für die korrespondierende Base des äure-base-paars, also der protonenärmeren Variante. Das ist bei uns das HPO. 0,1 / Na HPO enthalten c(hpo )= 0,1 /. Einsetzen in die Gleichung c( HPO ) ph pk H PO ( ) lg ( c HPO ) 0,1 ph 7, 0 lg 7, 0 0,1 Wie bei a) beschrieben, entspricht der ph-wert einer äquiaren ösung dem pk s-wert der schwachen äure (hier: H PO ). d) Wenn die starke Base NaOH dazugegeben wird, so reagiert sie mit vorhandenen sauren Teilchen (H PO ): OH H PO H O HPO. Diese Reaktion findet praktisch quantitativ statt und sorgt dafür, dass die H PO - Konzentration sinkt und die HPO -Konzentration steigt. Nach der Protolyse finden sich also folgende Konzentrationen in der ösung: OH H PO H O HPO nach Zugabe aber vor der Protolyse: 0,05 0,1 0,1 nach der Protolye: 0 0,05 0,15 Mit der HENDERON-HAEBACH-Gleichung folgt daraus: c( HPO ) ph pk H PO ( ) lg ( c H PO ) 0,15 ph 7, 0 lg 7,68 0,05 Nach NaOH-Zugabe wird der ph-wert also etwas alkalischer, wobei wegen der Pufferwirkung nur eine geringe ph- Änderung resultiert..6 a) Anfangs-pH-Werte Chlorsäure ist eine starke äure: ph - lg 0,05 1,0 Hypochlorige äure ist eine schwache äure ph pk lg c 0 (äure) 7,5 lg 0,05,0 Beide Titrationskurven haben ihren Äquivalenzpunkt bei 5 m KOH-Zugabe. Grund: Die Maßlösung ist mit c = 0,1 / doppelt so konzentriert wie die beiden äurelösungen (c = 0,05 /). Deshalb liegt der ÄP gerade beim halben Volumen der vorgelegten äurevolumina. Bei der Chlorigen äure gibt es beim Halbäquivalenzpunkt, also bei 1,5 m einen Wendepunkt. Der ph-wert entspricht hier dem pks-wert, also ph =7,5.

10 ph-wert an den ÄP: Chlorsäure: ph 7 ( da KClO ein alz einer starken äure ist => neutral). Chlorige äure: poh pk B lg c 0 (Base) 6,5 lg 0,0,0 ph 10,0 Verdünnung durch die Titration von 50 m auf 75 m berücksichtigt). (Hinweis: Es wurde die b) Hier liegt ein Gemisch ähnlicher Konzentrationen an ClO- und HClO vor, das gegenüber H O + - und OH -Zugabe puffernd wirkt..7 ClO - + H O + HClO + H₂O und HClO + OH ClO - + H₂O a) NH aq + HCl aq NH Cl aq => Ammoniak und HCl aq reagieren im toffmengenverhältnis 1:1. n( HClaq ) c V 0,1 0, , => n(nh ) = 0,00086 Berücksichtigung der Aliquotierung: In 000 m Ammoniaklösung sind 100 mal mehr NH -Moleküle enthalten als in 0 m der Ammoniaklösung. => n(nh ) = 0,086 Berechnung der Konzentration: c NH n( NH ) 0,086 V ( sg) 0,01 ( ) 8,6 b) ph Ha lb -ÄP (= p Ks (NH + )) Ne u t ra lp u n kt ÄP V( HCl-sg) in m c) Am ÄP liegt ausschließlich gelöstes Ammoniumchlorid vor. Als alz einer schwachen Base, reagiert eine Ammoniumchlorid in Wasser gelöst, sauer. Berechnung des ph-wertes einer 15-milliaren NH Cl-sg: + pk ( NH ) 1 pk ( NH ) pk 1, 75 9, 5 => NH ist eine schwache äure B pk s lg c( NH ) 9,5 lg 0,015 für schwache äuren gilt: ph 5,5 d) Die ösung kann wegen den NH -Molekülen mit zugesetzten Protonen (H + bzw. H O + ) reagieren:

11 NH + H + NH +. Die ösung kann auch mit zugesetzten OH -Ionen reagieren: NH + + OH NH + H O. Eine solche ösung kann also sowohl OH als auch H O + abfangen, ohne dass sich der ph-wert wesentlich ändert.