Säure-Base-Reaktion

  • 02 Gleichgewichte

    2 Gleichgewichte

    2.1 Schwefelsäure – Wasserdampf – Gleichgewicht

    a) konzentrierte Schwefelsäure (H2SO4)

    • enthält Schwefelsäuremoleküle
    • zeichnet einmal die Strukturformel(n) (unter Berücksichtigung, dass die Edelgas-Regel erfüllt sein muss):

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

     04 ta strukturformel schwefelsaeure

     

     

    {/sliders} 

    • Konzentrierte Schwefelsäure ist geruchlos;
    • Siedetemperatur beträgt 300°C;
    • Konzentrierte Schwefelsäure reagiert heftig mit Wasser und Ionenbildung (Protolyse-Reaktion)

    Formuliert für die Reaktion der Schwefelsäure mit Wasser in zwei Stufen die Reaktionsgleichung in Summenformeln

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    H2SO4  + H2O → HSO4- + H3O+
    HSO4-  + H2O  → SO42- +  H3O+

    {/sliders} 


    b) Verdünnte Schwefelsäure
    Verdünnte Schwefelsäure enthält folgende Ionen und Moleküle; nennt diese: 

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    • H3O+  (Oxonium-Ion; früher Hydronium-Ion oder „Hydroxonium-Ion“)
    • HSO4-  (Hydrogensulft-Ion)
    • SO42-  (Sulfat-Ion; wenig)
    • H2O  Enthält viele Wassermoleküle

    {/sliders} 


    2.2 Langzeitversuch: Konzentrierte Schwefelsäure

    Versuchsdurchführung: In einen Zylinder 1 werden 100 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. In einen Zylinder 2 werden zunächst 900 ml Wasser und dann vorsichtig 100 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Beide Zylinder werden mehrere Jahre offen im gleichen Zimmer stehengelassen.

    04 ta langzeitversuch schwefelsaeure

     

    Versucht eine Deutung dieses Versuches:

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    • Zylinder 1 nimmt mehr H2O -Moleküle aus der Umgebung auf als er abgibt.

    • Zylinder 2 gibt mehr H2O -Moleküle an die Umgebung ab, als er aufnimmt.

    • Nach einigen Jahren hat sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt: Pro Zeiteinheit werden nun gleich viel H2O-Moleküle an die Umgebung abgegeben wie H2O-Moleküle in die Lösung hinzukommen.

    {/sliders} 

  • 2 Reaktion von Chlorwasserstoff-Gas mit Ammoniak-Gas

    2 Reaktion von Chlorwasserstoff-Gas mit Ammoniak-Gas

    Hinweis: Um die Vorgänge besser nachvollziehen zu können gibt es hier ein Periodensystem der Elemente-Popup

    Bei diesen zwei Teilchen liegen polare Atombindungen vor: 

    01 2021 02 06 0w9a2693

    02 00 00 0a ta ammoniak und chlorwasserstoff nh3 hcl

    a) Versuch mit Skizze: (vgl. AB )

    Versuchsaufbau: Reaktion von Chlorwasserstoffgas und Ammoniak

     

     

    b) Beobachtung: 

    Innerhalb des Becherglas bildet sich weißer Rauch. Am Boden der Glasplatte setzt sich ein weißer, kristalliner Stoff ab.

    Vorher:

    Ammoniaklösung auf Glasplatte

    Nachher:

    Ammoniumchlorid

    c) Auswertung:


    I. Teilchengleichung:

    Chlorwasserstoff und Ammoniak reagieren zu Ammoniumchlorid

    NH₃ + HCl → NH₄¹⁺Cl¹⁻

    II. Reaktionsgleichung (Stoffgleichung)
    NH₃ (g) + HCl (g) → NH₄Cl (s)  ΔH < 0

    III. Protolyse-Schema

    Aufgabe: Skizziert einmal das Protolyse-Schema für diese chemische Reaktion. Tipp: Falls Ihr noch Schwierigkeiten damit habt, schaut nochmal das allgemeine Beispiel an

    {slider title="Lösung: Protolyse-Schema für die Bildung von Ammoniumchlorid" open="false" class="icon"}

    Protolyse-Schema für die Bildung von Ammoniumchlorid

    {/sliders}

  • 2.6 Phenole

    2.6 Phenole = Hydroxybenzole

    Vorkommen:

    02 06 00 ta a beispiele fuer phenole

     

    2.6.1 Monohydroxybenzol = Phenol

    a) Physikalische Eigenschaften

    • Smp.: 40,9; Sdp.: 181,9 °C
    • In Wasser nur mäßig löslich (bildet bei ZT eine Emulsion)
    • Starkes Zellgift, durch Haut resorbiert

    b) Chemische Eigenschaften

    • Oxidiert an Luft leicht ⇨ rötliche Färbung
    • Karbolsäure“: 2 %ige Säure; Desinfektion
    • Im Gegensatz zu Ethanol sauer:

    1. Phenol als schwache Säure
    pKS = 9,95

    02 06 01 a ta phenol reagiert mit wasser


    Grenzformeln des Phenolations

    02 06 01 c ta grenzformeln von phenolation

     

      Phenol Ethanol
    Säurestärke höher niedriger
    Induktiver Effekt

    02 06 01 d saeurestaerke phenol

    schwacher -I-Effekt ⇨ elektronenziehend

    ⇨ H⁺-Abgabe ist erleichtert

    02 06 01 e saeurestaerke ethanol

    +I-Effekt ⇨ Elektro-nenschiebend
    H⁺-Abgabe ist er-schwert.

     Anion: Mesomeriestabilisiert  konjungierte Base (Phenolat): negative Ladung ist über den ganzen Ring delokalisiert ⇨ stabilisiert! Keine Stabilisierung durch Mesomerien 
     Brønsted-Säure stärker  schwächer 
    Brønsted-Base schwächer  stärker 

     

    2.6.3 Synthese

    90% der Weltproduktion nach der Hock-Synthese

    Wirtschaftliches Verfahren, da auch Aceton nutzbar ist.

    siehe Heftaufschrieb

    2.6.4 Verwendung

    Herstellung von Kunststoffen (Polyamide, Phenoplasten, Phenolharzen und Polycarbonaten)

  • 2.7 Anilin

    2.7 Anilin = Aminobenzol

    Durch Reduktion von Nitrobenzol.

    02 07 01 a herstellung von anilin

    Neuerdings: Aus Phenol durch Reaktion mit Ammoniak (Ammonolyse)

    Physikalische Eigenschaften

    • Farblose, ölige Flüssigkeit
    • Sdt: 184 °C

    Chemische Eigenschaften

    • Färbt sich an der Luft braun
    • Lösung ist schwach alkalisch

    Verwendung (BASF = Badische Anilin und Soda Fabrik)
    Wichtiger Ausgangsstoff für Synthesen von Farbstoffen (Anilinfarben), Arzneimittel (Sulfonamide und Schmerzmittel) und Kunststoffe (Polyurethane).

    Mesomere Grenzstrukturen

    02 07 01 b mesomere grenzstrukturen anilin


    Reaktion mit Wasser
    Anilin ist eine sehr schwache Base (pKB = 9,42), da sich das freie Elektronenpaar am Stickstoffatom an der Mesomerie der Doppelbindungselektronen im Ring beteiligt. 

    02 07 01 c anilin und wasser

  • 2.9 Säure-Base-Reaktion mit Benzoesäure

    2.8 Allgemeines Zahlenbeispiel

      A + B C    +   D
    Vorher  1000          1000              0            0     
    Nachher 1000 - X     1000 - X         X
    z.B. in GG      800   800   200   200

     

    2.9 Säure-Basereaktionen mit Benzoesäure

    07 ab benzoesaeuregleichgewicht

     

    a) Benzoesäure + Wasser

    Man gibt festes Benzoesäure in Wasser. Dabei beobachtet man, dass die Benzoesäure als weiße Substanz oben auf dem Wasser schwimmt. Auch mit Schütteln löst sie sich nichtauf. 

    Frage: Warum löst sich Benzoesäure nicht in Wasser? Dafür muss man sich einmal Benzoesäure anschauen (Hinweis: Benzoesäure ist noch vereinfacht "falsch" geschrieben, da wir die Aromaten erst später genauer betrachten). 

    08 ta benzoesaeure nur so

    Erklärt, warum Benzoesäure nur schlecht in Wasser löslich ist!

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    Bei Benzoesäure ist ein großer Teil unpolar. Der polare Teil ist kleiner. Es kann zwar mit Wasser H-Brücken ausbilden, aber der große Rest sorgt bisher für eine schlechte Löslichkeit. 

    08 ta benzoesaeure nur so polar

    Hinweis: Ähnliches löst sich in ähnlichem. 

    {/sliders}

    Zusammenfassung Beobachtung: wenig löslich in Wasser; die Lösung reagiert schwach sauer.

    Formuliert die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Benozesäure mit Wasser mit binden und nichtbindenen Elektronenpaaren (Hinweis; Benzoesäure ist jetzt schon etwas vereinfacht geschrieben indem die H-Atome am Ring weggelassen wurden. 

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

      08 ta benzoesaeure und wasser

    Es findet nur eine schwache Reaktion mit H2O statt. Es reagieren nur wenige Benzoesäuremoleküle. Das Gleichgewicht liegt rechts. 

    {/sliders}

    b) Benzoesäure + Natronlauge (Neutralisation)

    Man gibt vorsichtig Natronlauge zu und schüttelt die Lösung bis 
    Beobachtung: Es entsteht eine klare Lösung. 

    Formuliert hierfür auch wieder eine Reaktionsgleichung mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. 

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    08 ta benzoesaeure und natronlauge

    {/sliders}


    Die Benzoesäuremoleküle reagieren praktisch vollständig.

    c) gelöstes Natriumbenzoat + verd. Salzsäure
    Die klare Lösung wird trübe. Weißes, pulverartige Substanz schwimmt wieder auf der Oberfläche. 

    {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

    08 ta natriumbenzoat und salzsaeure

     {/sliders}

    Feste Benzoesäure scheidet sich ab; die Benzoanionen reagieren praktisch vollständig.

  • 3 Reaktion von festem Ammoniumchlorid und festem Natriumhydroxid

    3 Reaktion von festem Ammoniumchlorid und festem Natriumhydroxid

    a) Versuch mit Skizze

    Versuchsaufbau: Natriumhydroxid und Ammoniumchlorid wird zerrieben 

    Die beiden Salze NH₄Cl und NaOH werden gemeinsam im Mörser zerrieben. Nach dem Zerreiben wird ein angefeuchtetes Indikatorpapier über die Schale gehalten; zusätzlich wird eine Geruchsprobe vorgenommen.


    b) Beobachtung:

    Es entsteht ein stechend riechendes Gas. Das feuchte Indikatorpapier färbt sich blau. Die Festsubstanz im Mörser wird feucht.

    c) Auswertung:

    I. Teilchengleichung

    Teilchengleichung zur Bildung von Ammoniak und Wasser aus Ammoniumchlorid und Natriumhydroxid


    II. Reaktionsgleichung

    NH₄Cl + NaOH NH₃ + NaCl + H₂O
    Ammoniumchlorid   Natriumhydroxid   Ammoniak   Natriumchlorid   Wasser

    III. Protolysenschema

    Aufgabe: Formuliert für diese chemische Reaktion ein Protolyse-Schema

    {slider title="Lösung: Protolyse-Schema für das Verreiben von Ammoniumchlorid und Natriumhydroxid" open="false" class="icon"}

    Protolyse-Schema: Ammoniumchlorid und Natriumhydroxid reagieren zu Ammoniak und Wasser

    {/sliders}

  • 3.2 Ammoniak-Gas + Wasser

    Was du auf dieser Seite lernst

    Ammoniak ist ein Gas, das sich außergewöhnlich gut in Wasser löst – das zeigt der Springbrunnenversuch eindrucksvoll. Du lernst, wie Ammoniak mit Wasser nach der Brønsted-Theorie reagiert (Protolyse), warum dabei eine basische Lösung entsteht, und verstehst im Exkurs, warum Sprudelwasser sauer ist und wie man daraus den pH-Wert berechnet.

    Grundlagen aus der 9. Klasse

    Die Grundlagen zur Brønsted-Theorie (Protonendonator / Protonenakzeptor) hast du bereits in der 9. Klasse kennengelernt: → Brønsted-Theorie (Kl. 9) · → Säure-Base-Reaktionen (Kl. 9)

    3.2 Ammoniak-Gas + Wasser (Springbrunnen 2)

    a) Versuch

    Springbrunnenversuch mit Ammoniak-Gas: NH3 löst sich in Wasser, Unterdruck entsteht im Rundkolben, Wasser steigt auf, Universalindikator färbt sich blau (basische Lösung)

    ↑ Zum Vergrößern klicken

    Springbrunnenversuch Ammoniak – vergrößert: Unterdruck durch Lösung von NH3 in Wasser

    b) Beobachtung

    Das Wasser „schießt" bergauf in den Rundkolben. Die Indikatorfarbe schlägt nach blau um. Die blaue wässrige Lösung riecht nach Ammoniak.

    c) Erklärung

    Ammoniak-Gas löst sich sehr gut in Wasser und reagiert teilweise mit Wasser. Im Kolben entsteht durch das Lösen des Gases ein starker Unterdruck. Die entstehenden Hydroxid-Ionen (OH⁻) färben den Universalindikator blau.

    d) Reaktionsgleichung (mit Strukturformeln und Summenformeln)

    Versuche die Gleichung erst selbst zu formulieren!

    Lösung: Reaktionsgleichung anzeigen

    Protolyse von Ammoniak mit Wasser: NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- mit Strukturformeln und Summenformeln, Protonenübertragung vom Wasser auf Ammoniak

    Reaktionsgleichung Protolyse Ammoniak Wasser – vergrößert

    Formuliere nun das Protolyseschema:

    Lösung: Protolyseschema anzeigen

    e) Protolyseschema

    Protolyseschema Ammoniak-Wasser: konjugierte Säure-Base-Paare NH3/NH4+ und H2O/OH-, Protonenübertragungspfeile, Brønsted-Notation

    Protolyseschema Ammoniak Wasser – vergrößert

    Exkurs: Was macht den Sprudel sauer?

    Kohlenstoffdioxid reagiert beim Lösen in Wasser im Gleichgewicht zu Kohlensäure:

    CO₂ (g) + H₂O (l) ⇌ „H₂CO₃" (aq)  – instabil (→ Erlenmeyer-Regel: zwei OH-Gruppen am selben C-Atom sind nicht beständig)

    1. Protolysestufe:  H₂CO₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ HCO₃⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq)

    2. Protolysestufe:  HCO₃⁻ (aq) + H₂O (l) ⇌ CO₃²⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq)

    Nachweis der H₃O⁺-Ionen durch:

    1. Geschmack (sauer)
    2. pH-Papier
    3. pH-Meter

    Messwert: pH(Sprudel) = 5,1

    Berechnung der Oxoniumionen-Konzentration:

    pH = −lg c(H₃O⁺)

    c(H₃O⁺) = 10−pH = 10−5,1 ≈ 7,9 · 10−6 mol/L


    Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

    Springbrunneneffekt

    NH₃ löst sich so gut in Wasser, dass im Kolben ein starker Unterdruck entsteht – das Wasser „schießt" nach oben in den Rundkolben.

    Protolyse (Brønsted)

    NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. NH₃ ist Protonenakzeptor (Base), H₂O ist Protonendonator (Säure). Lösung basisch (pH > 7).

    Erlenmeyer-Regel

    H₂CO₃ ist instabil – zwei OH-Gruppen am selben C-Atom sind nicht beständig. H₂CO₃ zerfällt sofort in CO₂ und H₂O.

    pH-Rechnung

    pH = −lg c(H₃O⁺)  ·  c(H₃O⁺) = 10−pH
    Sprudel: pH 5,1 → c(H₃O⁺) ≈ 7,9 · 10−6 mol/L

    Häufige Fragen – Ammoniak und Wasser

    Warum steigt beim Springbrunnenversuch das Wasser von selbst auf?

    Ammoniak löst sich außergewöhnlich gut in Wasser (ca. 700 Liter NH₃ in 1 Liter Wasser bei Raumtemperatur). Sobald Wasser mit dem Ammoniak-Gas in Berührung kommt, löst sich das Gas nahezu vollständig. Der Gasdruck im Kolben fällt schlagartig ab – es entsteht ein starker Unterdruck. Der Atmosphärendruck drückt daraufhin das Wasser durch die Glasspitze nach oben in den Kolben.

    Ist NH₃ in Wasser eine Säure oder eine Base?

    Nach Brønsted ist NH₃ eine Base: Es nimmt ein Proton (H⁺) vom Wasser auf und bildet das Ammoniumion NH₄⁺. Gleichzeitig gibt Wasser ein Proton ab und wird zur konjugierten Base OH⁻. Die Reaktion verläuft als Gleichgewicht:
    NH₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ NH₄⁺ (aq) + OH⁻ (aq)
    Da OH⁻-Ionen entstehen, ist die Lösung basisch (pH > 7), was der Universalindikator durch Blaufärbung anzeigt.

    Was bedeutet „konjugiertes Säure-Base-Paar"?

    Ein konjugiertes Säure-Base-Paar unterscheidet sich nur um ein Proton H⁺. Bei der Ammoniak-Protolyse gibt es zwei solche Paare:

    • NH₄⁺ / NH₃ – NH₄⁺ ist die Säure, NH₃ die konjugierte Base
    • H₂O / OH⁻ – H₂O ist die Säure, OH⁻ die konjugierte Base

    Das Protolyseschema stellt diese Paare mit Pfeilen dar und zeigt, in welche Richtung das Proton wandert. Mehr dazu auf der Seite → Brønsted-Theorie.

    Was ist die Erlenmeyer-Regel und wozu braucht man sie?

    Die Erlenmeyer-Regel besagt: Verbindungen, bei denen zwei Hydroxyl-Gruppen (OH) an demselben Kohlenstoffatom gebunden sind, sind instabil und wandeln sich spontan um. Kohlensäure H₂CO₃ hätte formal zwei OH-Gruppen am gleichen C-Atom – sie ist daher so instabil, dass sie sofort in CO₂ und H₂O zerfällt. Diese Regel erklärt, warum im Sprudelwasser kein stabiles H₂CO₃ vorliegt, sondern CO₂ im Gleichgewicht mit Wasser steht und dabei H₃O⁺-Ionen entstehen.

    Wie berechnet man aus dem pH-Wert die Oxoniumionen-Konzentration?

    Formel: pH = −lg c(H₃O⁺), umgestellt: c(H₃O⁺) = 10−pH

    Beispiel Sprudel mit pH = 5,1:
    c(H₃O⁺) = 10−5,1 ≈ 7,9 · 10−6 mol/L

    Zum Vergleich: Reines Wasser hat c(H₃O⁺) = 10−7 mol/L (pH = 7). Weitere Berechnungen findest du auf der Seite → pH-Wert berechnen.

    Lernkarten – Ammoniak und Wasser

    Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.

    1

    Warum entsteht beim Springbrunnenversuch ein Unterdruck im Kolben?

    NH₃ löst sich extrem gut in Wasser → Gas verschwindet aus der Gasphase → Druck sinkt → Unterdruck → Atmosphärendruck drückt Wasser nach oben.

    2

    Formuliere die vollständige Protolysegleichung von NH₃ mit Wasser.

    NH₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ NH₄⁺ (aq) + OH⁻ (aq)
    NH₃ = Base (Protonenakzeptor)
    H₂O = Säure (Protonendonator)

    3

    Nenne die beiden konjugierten Säure-Base-Paare bei der Ammoniak-Protolyse.

    Paar 1: NH₄⁺ (Säure) / NH₃ (Base)
    Paar 2: H₂O (Säure) / OH⁻ (Base)

    4

    Warum ist Sprudelwasser sauer, obwohl H₂CO₃ instabil ist?

    CO₂ reagiert im Gleichgewicht mit H₂O. Auch ohne stabiles H₂CO₃ entstehen durch Protolyse H₃O⁺-Ionen (Erlenmeyer-Regel) → saure Lösung (pH ≈ 5,1).

    5

    Berechne: Ein Sprudel hat pH = 4,5. Wie groß ist c(H₃O⁺)?

    c(H₃O⁺) = 10−pH = 10−4,5 ≈ 3,2 · 10−5 mol/L

    Weiter im Kapitel Säure-Base-Reaktionen

    ← 3 Protolyse-Reaktionen (Übersicht) → 3.3 Neutralisation

    🔁 Grundlagen (Kl. 9): Säure-Base-Reaktionen (Kl. 9) · Brønsted-Theorie (Kl. 9) · Neutralisation (Kl. 9)

    📈 Vertiefung: pH-Wert berechnen · pKB-Wert (Basestärke) · Pufferlösung

  • 4 Allgemeine Säure-Base-Definition nach Brønsted (1923)

    4 Allgemeine Säure-Base-Definition nach Brønsted (1923)

    a) Säuren...

    ... sind Teilchen, die Protonen abgeben können (= Protonendonator, „Protonenspender“).
    Die Teilchen enthalten positivierte H-Atome (Die Bindung zum H-Atom muss polar sein):

    Säure = Protonendonator - allgemeiner Bau 

    Wasserstoffatome bestehen nur aus Protonen und Elektronen. Eine Säure besitzt ein Wasserstoffatom, wobei das Elektron von dem Wasserstoffatom „stark“ angezogen wird. Kommt es zu einer Säure-Base-Reaktion (Protolyse), dann wird vereinfacht ausgedrückt nur das Proton des Wasserstoffatoms abgegeben. Das Elektron der Wasserstoffatoms bleibt beim Teilchen zurück (vgl. dazu alle vorher genannten Beispiele).


    b) Basen...

    sind Teilchen, die Protonen aufnehmen können (= Protonenakzeptor, „Protonenräuber“). Die Teilchen enthalten mindestens ein freies Elektronenpaar.

    Base = Protonenakzeptor: enthält ein freies Elektronenpaar

    Dieses freie Elektronenpaar „nimmt“ dann den positiven Wasserstoffkern (Proton) „auf“.

    c) Übung

    Im folgenden ist die Lewis-Formel (Strukturformel) von Wasser abgebildet. Gehört dieses Molekül zu einer Brønsted-Säure oder -Base? Schaut Euch dafür nochmals die Definitionen an. 

    Wasser: Lewis-Formel (Strukturformel)

     

    {slider title="Lösung: Was ist Wasser? Eine Säure oder Base?" open="false" class="icon"}

    Wasser kann (je nach Reaktionspartner) beides sein. Es kann ein Proton (H⁺) abgeben [es hat ja positivierte Wasserstoff-Atome], wie auch aufnehmen [es hat ja auch freie Elektronenpaare]. 

    Dafür gibt es eine neue Bezeichnung: Wasser ist ein Ampholyt

    {/sliders}

     

    c) Ampholyte

    Ampholyte können sowohl als Säuren, wie auch als Basen reagieren. Sie müssen also freie Elektronenpaare (für die Funktion als Basen) wie auch positivierte Wasserstoff-Atome (Funktion als Säure) besitzen. 

     

  • 5 Stärke von Säuren und Basen

    5 Stärke von Säuren und Basen - Säurestärke und Molekülstruktur

    Hinweis 1: Das Kapitel stammt aus dem Oberstufenbereich. Ich halte es für das Verständnis für Säure-Base-Reaktionen wichtig, weil man sonst bei einer Reaktion mit zwei Ampholyten (z.B. Wasser und Ammoniak) gar nicht weiß, wer die Säure ist und wer als Base funktioniert. 

    Hinweis 2: Auch hier ist es von Vorteil, wenn man ein Periodensystem der Elemente zur Hand hat.

    Brønsted-Theorie
    Säurestärke ist die Tendenz Protonen abzugeben. 
    Basenstärke Tendenz Protonen aufzunehmen.

    Bsp.   HCl             +    H₂O         →     H₃O⁺         +    Cl⁻ 
               Säure 1            Base 2            Säure 2           Base 1

    Info: Supersäuren = Säuren die stärker als H₂SO₄ sind. 

    Je stärker die Säure desto schwächer die konjugierte (korrespondierende) Base.

    5.1 Binäre Säuren. 

    Faktoren für Säurestärke von Bedeutung:

    • Elektronegativität (innerhalb einer Periode)
    • Atomgröße (innerhalb einer Gruppe)


    a) innerhalb einer Periode (binäre H-Verbindungen)
    Säurestärke nimmt mit der EN zu (Atomgrößenunterschiede sind „zu“ gering) 
    ⇨ Elektronen werden stärker dem H-Atom entzogen ⇨ erleichterte Protonenabspaltung. 

    Bsp.:

    2. Periode: 
    Zunahme der EN:                            N     < O     < F
    Zunahme der Säurestärke              NH₃ < H₂O < HF
    Gegenüber Wasser                          Base               Säure


    3. Periode 
    Zunahme der EN:                             P       < S       < Cl
    Zunahme der Säurestärke              PH₃    < H₂S   < HCl


    b) innerhalb einer Gruppe (binäre H-Verbindungen):
    Säurestärke nimmt mit der Atomgröße zu (stärkere Auswirkung als Elektronegativität) 
    ⇨  bei einem großen Atom ist die Valenzelektronenwolke auf einem größeren Raum verteilt ⇨ H⁺ ist weniger fest gebunden.

    H₂O < H₂S < H₂Se < H₂Te
    HF < HCl < HBr < HI

    5.2 Oxosäuren 

     

    Sauerstoff hat in etwa die gleiche Größe 

    a) EN von Z ist entscheidend
    Je größer die EN von Z, desto stärker ist die Säure (-I-Effekt).

    HOI                                    < HOBr                                  < HOCl
    hyopoiodige Säure           hypobromige                         hypochlorige Säure

    b) An Z sind weitere O-Atome gebunden ⇨ stärkerer –I-Effekt (bzw. höhere Formalladung am Z. )

     

     hypochlorige –                                   chlorige –                                         Chlor –                                      Perchlorsäuren 


    ⇨  Man kann Säurestärke abschätzen: Je mehr mehr O-Atome an das Z-Atom jedoch nicht an H-Atom gebunden sind, desto die Säure:
     H-O-NO                       <           H-O-NO₂ 
     salpetrige Säure                       Salpetersäure


     (H-O-)₂SO                 <              (H-O-)₂SO₂
     schweflige Säure                      Schwefelsäure

  • 5.1.6 Aminosäure sind Ampholyte

    5.1.6 Aminosäure sind Ampholyte

    Aminosäuren können sowohl als Brønsted-Säuren als auch als Brønsted-Basen reagieren.

     05-01-06-ta-aminsaeuren-als-amphlyte


    Die hinzugefügten Oxonium- und Hydroxid-Ionen werden abgefangen. Der pH-Wert verändert sich kaum. Aminosäuren besitzen Pufferwirkung.

    1. Wendepunkt

    05-01-06-ta-erster-wendepunkt

    50 %                                                  50 %
                                  pKS1 = 2,34

    Für jede Aminosäure gibt es einen pH-Wert, bei dem sie im elektrischen Feld nicht wandert. Diesen pH-Wert bezeichnet man als isoelektrischen Punkt. Bei diesem Punkt liegen praktisch nur die Zwitterionen vor. Der isoelektrische Punkt bei Glycin liegt bei pH 6,0 (2. Wendepunkt).

    3. Wendepunkt

    05-01-06-ta-dritter-wendepunkt

    50 %                                             50 %
                             pKS2 = 9,77

    Titrationskurve von Glycin

     

  • 6 Chlorwasserstoff-Gas und Wasser

    6 Chlorwasserstoff-Gas und Wasser (Springbrunnen)

    Chlorwasserstoff: Summenformel HCl, polare Atombindung, Gas, stechender Geruch 

    Chlorwasserstoff: Lewis-Formel der polaren Bindung

    Wasser: Summenformel H₂O, polare Atombindung, Flüssigkeit, geruchslos

    Wasser: Lewis-Formel mit polaren Bindung

    a) Versuch:

    Springbrunnenversuch: Chlorwasserstoff-Gas und Wasser

    b) Beobachtung:
    Das Wasser „schießt“ bergauf in den Rundkolben. Die Indikatorfarbe schlägt nach rot/gelb um. Die rote wässrige Lösung ist geruchlos.

    c) Reaktionsgleichung – Struktur/Lewisformel:

    Theoretisch gibt es zwei Möglichkeiten, wie Wasser und Chlorwasserstoff reagieren können.

    1. Formuliere einmal diese zwei Möglichkeiten als Reaktionsgleichung mit Strukturformeln. 
    2. Entscheide, welche dieser beiden möglichen Reaktionen tatsächlich abläuft. Falls du nicht drauf kommst, gehe zurück zum Thema: Säure-Stärke 

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    1. Möglichkeit:

    Chlorwassserstoff reagiert mit Wasser unter Bildung von Oxonium-Ionen und Chlorid-Ion

    2. Möglichkeit:

    Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser - zweite Möglichkeit

    Chlorwasserstoff ist die stärkere Säure, da Chlor ein größeres Atom ist, als Wasserstoff. Außerdem ist das Hydroxid-Ion ist eine sehr starke Base.

    {/sliders}

    Nachweis der gebildeten Ionen:

    • Leitfähigkeitsmessung
    • durch Elektrolyse: An der Anode (+-Pol) entsteht dabei Cl₂-Gas. Somit müssen in der verdünnten Salzsäure Chlorid-Ionen (Cl⁻-Ionen) vorliegen.

    Aufbau: Elektrolyse von Salzsäure

    • durch Indikator: Die Gelbfärbung bei Bromthymolblau zeigt Oxonium-Ionen (H₃O⁺) an. 

    Reaktionsgleichung Zusammenfassung

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    Chlorwassserstoff reagiert mit Wasser unter Bildung von Oxonium-Ionen und Chlorid-Ion

    Begründung:
    Chlor (vom Chlorwasserstoff) ist ein größeres Atom als Sauerstoff (vom Wasser). Deshalb ist Chlorwasserstoff eine stärkere Säure und gibt das Proton (H⁺) und Wasser nimmt das Proton auf.
    verdünnte Salzsäure enthält hydratisierte Oxonium- und Chlorid-Ionen und Wassermoleküle.

    Reaktionsgleichung: Chlorwasserstoff und Wasser reagieren zu Oxonium-Ion und Chlorid-Ion

    {/sliders}

    Verdünnte Salzsäure enthält hydratisierte Oxonium- und Chlorid-Ionen und Wassermoleküle.


    d) Protolyseschema

    Formuliere für diese Reaktion einmal das Protolyseschema: 

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    Protolyse-Schema: Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser

    {/sliders}

    e) Erklärung:
    Chlorwasserstoff-Gas reagiert mit Wasser. Im Zylinder entsteht ein Unterdruck. Die Oxonium-Ionen färben den Universalindikator/Bromthymolblau rot/gelb.

     Salzsäure: = wässrige Lösung des Gases Chlorwasserstoff

     

    Wenn man sehr viel HCl-Gas in Wasser einleitet, reagieren nicht mehr alle HCl-Moleküle mit den H₂O-Molekülen. Diese HCl-Moleküle liegen „gelöst“ vor. Es ist so „rauchende“ bzw. konzentrierte Salzsäure entstanden.

      Leitfähigkeit Geruch Indikatorpapier Teilchen
    verdünnte Salzsäure + - rot H₂O, H₃O⁺, Cl⁻
    rauchende Salzsäure + + rot H₂O, H₃O⁺, Cl⁻, HCl
  • 9 Bildung von Calciumhydroxid

    9 Bildung von Calciumhydroxid aus Calciumoxid und Wasser

    a) Bildung von Calciumhydroxid („Löschen von gebranntem Kalk“)

    Hierfür wird in einem Experiment etwas Calcium(II)-Oxid in ein Reagenzglas gegeben und wenige Wasser zugetropft. 

    Experiment calciumoxid und wasser

    Beobachtung: Das Reagenzglas wird sehr heiß! Es ist also eine freiwillige, exotherme Reaktion. 

    Aufgabe: Formuliert die Reaktionsgleichung mit Hilfe von Strukturformeln (formuliert hierfür auch die Teilchen als Ionen). Zeichnet dann auch noch eine Protolyse-Schema für dies Reaktion mit den Teilchen, die bei dieser Reaktion beteiligt sind. 

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    Reaktionsgleichung - Kalklöschen = Calciumoxid und Wasser

    02 ta protolysen schema kalkloeschen

    {/sliders}

    b) Erhitzen von Calciumhydroxid

    Die oben genannte Reaktion kann man aber auch Umkehren. Da die Bildung von Calciumhydroxid freiwillige und exotherm verläuft muss die Umkehrung natürlich unter Zwang und endotherm (also Energie in Wärme muss in das System hingesteckt werden) verlaufen. 

    Aufgabe: Formuliert für die Umkehrung dieser Reaktion auch eine Reaktionsgleichung mit Hilfe von Strukturformeln und ein Protolyse-Schema. Wichtig für das Schema ist, dass die Säuren immer links stehen, die starke Säure oben links und die starke Base unten rechts. Außerdem zeigt der diagonale Pfeil an, ob eine Reaktion freiwillig ("bergab" = von oben nach unten) oder unfreiwillig ("bergauf" = von unten nach oben) verläuft. 

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    02 ta erhitzen von calciumhydroxid

    02 ta protolysen schema erhitzen von calciumhydroxid 

    {/sliders}

  • Säure-Base-Reaktionen

    Säure-Base-Reaktionen (=Protolyse-Reaktionen)

    1 Reaktion von Chlorwasserstoffgas mit festem Natriumhydroxid

    2 Reaktion von Chlorwasserstoff-Gas mit Ammoniak-Gas

    3 Reaktion von festem Ammoniumchlorid und festem Natriumhydroxid

    4 Allgemeine Säure-Base-Definition nach Brønsted (1923)

    5 Stärke von Säuren und Basen

    6 Chlorwasserstoff-Gas und Wasser (Springbrunnen)

    7 Konzentration

    8 Neutralisationsreaktion

    9 Reaktion von verdünnter Salzsäure mit verdünnter Natronlauge

    10 Reaktion von Calciumoxid mit Wasser

    (x) Ammoniak-Gas + Wasser (Springbrunnen 2)

    11 Technisch wichtige Säuren

    11.1 Schwefelsäure

    11.2 Schweflige Säure

  • Säure-Base-Reaktionen (Protolysen)

     

    Säure-Base-Reaktionen (=Protolyse-Reaktionen)

    In diesem Kapitel geht es um die zweite Möglichkeit, wie eine chemische Reaktion ablaufen kann. Dabei werden zunächst einige typische Beispiele betrachtet. Danach wird die Definition (die bis dahin sowieso wohl schon vielen klar sein wird) aufgestellt. 

    1 Reaktion von Chlorwasserstoffgas mit festem Natriumhydroxid

    Hinweis: Um die Vorgänge besser nachvollziehen zu können gibt es hier ein Periodensystem der Elemente-Popup

    Ausgangsstoffe: 

    Name Summenformel Strukturformel Bindung
    Chlorwasserstoff HCl 01 01 00 hcl molekuel polare bindung 06 Polare Atombindung
    Natriumhydroxid NaOH  Strukturformel - Ionenbindung von Natriumhydroxid Ionenbindung

    a) Versuch:

    01 00 00 ta va hcl und naohAbb.: Herstellung von HCl und anschließende Reaktion mit NaOH

    b) Beobachtung

    Natriumhydroxid überzieht sich mit einem weißen Feststoff; am Ende des Glasrohres schlägt sich eine farblose Flüssigkeit nieder, das Reaktionsrohr erwärmt sich.

    c) Auswertung: Folgende Teilchen reagieren miteinander:
    I Teilchengleichung:

    01 00 00 ta hcl u naoh h2o und cl

    Na¹⁺OH¹⁻ + HCl → H₂O + Na¹⁺Cl¹⁻

    NaOH(s) + HCl(g) → H₂O(l) + NaCl(s) ΔH < 0

    d) Protolyse-Schema
    Allgemeines Protolyse-Schema

    Ein Protolyse-Schema funktioniert analog zum Redox-Schema (siehe vorheriges Kapitel). Hier zunächst ein allgemeines Schema (welches für alle Säure-Base-Reaktion so gelten kann): 

    Allgemeines Protolyse-Schema

    Protolyse-Sschema für die Bildung von Natriumchlorid

    Protolyse-Schema für Chlorwasserstoff und Natriumhydroxid

    e) Erklärung der exothermen Reaktion

     ΔH > 0 (positiv, endotherm) ΔH < 0 (negativ, exotherm) 
    • Deprotonierung von Chlorwasserstoff
    • Gitterspaltung von Natriumhydroxid
    • Protonierung des Hydroxid-Ions
    • Gitterbildung von Natriumchlorid
    • wasserstoffbrückenbildung zwischen verschiedenen H₂O-Molekülen

    Ergebnis: ΔH < 0 (negativ, exotherm) überwiegt.

  • Themen der 9. Klasse

    Die Themen der 9. Klassenstufe, wie sie für dieses Jahr vorgesehen sind. Falls ich in Zukunft den Atombau schon in die 8. Klasse vorziehe, werden sich andere Themen aus der 8. Klasse hier finden. Verkürzt lassen sich 3 Themenfelder aufzählen: