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1 M. Kresken Säuren und Basen

1M. Kresken Säuren und Basen. 2M. Kresken Säuren und Basen Die Begriffe Säure und Base (früher Lauge) sind aus Beobachtungen entstanden: -Zitronen, Essig

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  • Folie 1
  • 1M. Kresken Suren und Basen
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  • 2M. Kresken Suren und Basen Die Begriffe Sure und Base (frher Lauge) sind aus Beobachtungen entstanden: -Zitronen, Essig und saure Milch schmecken sauer, was auf den Gehalt an Citronensure, Essigsure bzw. Milchsure zurckzufhren ist. -Dem gegenber steht der bittere Geschmack von Seifenlaugen. Da Pflanzenasche durch den hohen K -Gehalt die Basis fr die Laugengewinnung (KOH) war, wurde spter der Begriff Base auf die ganze Stoffklasse angewendet. Wssrige Lsungen von Basen reagieren basisch oder alkalisch (arab. al-kaelie = Lauge). +
  • Folie 3
  • 3M. Kresken Suren und Basen Wssrige Lsungen von Suren und Basen leiten den elektrischen Strom. Die gelsten Stoffe sind Elektrolyte, d.h. in der Lsung liegen Ionen vor. Suren und Basen bilden die Ionen meist erst unter dem Einfluss des Wassers. Der Vorgang wird als Dissoziation bezeichnet.
  • Folie 4
  • 4M. Kresken Suren und Basen Chlorwasserstoff dissoziiert in wssriger Lsung formal in Wasserstoff-Ionen (H = Protonen) und Chlorid-Ionen (Cl ), die jeweils hydratisiert sind: + - HCl (gasfrmig) H + Cl (Salzsure) H2OH2O +- NaOH (fest) Na + OH (Natronlauge) H2OH2O +- + - Natriumhydroxid dissoziiert in Natrium-Ionen (Na ) und Hydroxid-Ionen (OH ), die jeweils hydratisiert sind: Aus den Dissoziationsvorgngen wird sichtbar, dass Suren Protonen (H ) und Basen Hydroxid-Ionen (OH ) freisetzen, aber... +-
  • Folie 5
  • 5M. Kresken Suren und Basen Definition von Brnstedt: -Suren sind Stoffe, die Wasserstoff-Ionen (Protonen, H -Ionen) abgeben knnen (Protonendonatoren). -Basen sind Stoffe, die die Wasserstoff-Ionen (Protonen, H -Ionen) aufnehmen knnen (Protonenakzeptoren). + + NH 3 + H 2 O NH 4 + OH +- Ammoniak Wasser Ammonium-Ion Hydroxid-Ion Sure-Basen-Reaktionen sind Protonenbertragungs- Reaktionen. In wssrigen Lsungen nehmen Wassermolekle die Protonen auf. + H 2 O + H H 3 O (Hydronium-Ion; Oxonium-Ion) +
  • Folie 6
  • 6M. Kresken Neutrales Pflanzen- material (z.B. Holz) Verbrennung O 2 -Verbrauch Gas (enthlt CO 2 ) (enthlt K 2 O) Asche H2OH2O H2OH2O Sure (H 2 CO 3 ) (KOH) Base (K 2 CO 3 ) Salz + Wasser Experiment Holzverbrennung
  • Folie 7
  • 7M. Kresken Wasser H 2 O + H 2 O H 3 O + OH (H + + OH ) +- Wasser ist ein Ampholyt. In geringen, aber messbarem Umfang reagiert es mit sich selbst (Eigendissoziation, Autoprotolyse). Ampholyte knnen als Sure oder Base reagieren. Wie Wasser reagiert, hngt vom Reaktionspartner ab. -Reagiert es mit einem Stoff, der eine grere Protonen- donatorstrke als es selbst hat, reagiert es als Base. -Gegenber der Base Ammoniak berwiegt jedoch seine eigene Protonendonatorstrke. Wasser reagiert als Sure.
  • Folie 8
  • 8M. Kresken Massenwirkungsgesetz (MWG) Das Verhltnis der Konzentrationen der beteiligten Stoffe fhrt zu einer fr die betrachtete Reaktion spezifischen Konstante, der Gleichgewichtskonstanten K, deren Wert von der Temperatur abhngt. A + B C + D Im Gleichgewichtszustand der Reaktion sind die Gleichgewichtskonzentrationen der beteiligten Stoffe konstant, da Hin- und Rckreaktionen gleich schnell ablaufen.
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  • 9M. Kresken Massenwirkungsgesetz (MWG) K = [C] [D] [A] [B] C und D sind die Produkte, A und B die Edukte, K die Gleichgewichtskonstante. Das Produkt der Konzentrationen der Produkte dividiert durch das Produkt der Edukte ist konstant. Die eckigen Klammern dokumentieren eine Konzentration, (z.B. [A] in mol/L). Das MWG gibt Auskunft ber die Lage eines Gleichgewichtes: -Ein Zahlenwert K > 1 zeigt an, dass die Reaktion auf der Seite der Produkte liegt, die Hinreaktion also berwiegt. -Bei einem Zahlenwert K < 1 berwiegen die Edukte im Gleichgewicht, d.h. die Rckreaktion berwiegt. K c = c(C) c(D) c(A) c(B) oder
  • Folie 10
  • 10M. Kresken Ionenprodukt des Wassers Da Wasser im berschuss vorliegt, ist seine Konzentration (1 L = 55,55 mol) bei einer geringen Eigendissoziation praktisch konstant [1 mol Wasser wiegt 18 g; 1 L Wasser wiegt 1.000 g; 55,55 mol wiegen 1.000 g]. K = [H 3 O ] [OH ] [H 2 O] 2 +- [H 2 O] 2 K = [H 3 O ] [OH ] +- K w = [H 3 O ] [OH ] Ionenprodukt des Wassers +- K w = 1,0 10 -14 mol 2 /L 2 [H 3 O ] = 1,0 10 -7 mol/L = [OH ] +-
  • Folie 11
  • 11M. Kresken pH-Wert Der pH-Wert ist der negative Zehnerlogarithmus von [H 3 O ]. In reinem Wasser (bei 22C) ist [H 3 O ] = 10 -7 mol/L, daher ist der pH-Wert 7. Gibt man eine Sure hinzu, wird [H 3 O ] > 1,0 10 -7 mol/L. Entsprechend sinkt der pH-Wert auf < 7 und man spricht von einer sauren Lsung. + + + pH, lat. pondus hydrogenii
  • Folie 12
  • 12M. Kresken pOH-Wert Neben dem pH-Wert gibt es auch noch den pOH-Wert. Der pOH-Wert ist der negative Zehnerlogarithmus von [OH ]. In reinem Wasser (bei 22C) ist [OH ] = 10 -7 mol/L, daher ist der pOH-Wert 7. Gibt man eine Base hinzu, wird [OH ] > 1,0 10 -7 mol/L. Entsprechend sinkt der pOH-Wert auf < 7 und man spricht von einer basischen Lsung. - - -
  • Folie 13
  • 13M. Kresken Ionenprodukt des Wassers K w = [H 3 O ] [OH ] = 10 -14 mol 2 /L 2 +- pK w = pH + pOH = 14 pH = -log 10 [H 3 O ] = -lg [H 3 O ] ++ pOH = -log 10 [OH ] = -lg [OH ] --
  • Folie 14
  • Zusammenhang zwischen pH-Wert und pOH-Wert pH-Wert[H 3 O + ] in mol/L[OH - ] in mol/LpOH-Wert 1410 -14 10 0 0 1310 -13 10 -1 1 1210 -12 10 -2 2 1110 -11 10 -3 3 1010 -10 10 -4 4 910 -9 10 -5 5 810 -8 10 -6 6 710 -7 7 610 -6 10 -8 8 510 -5 10 -9 9 410 -4 10 -10 10 310 -3 10 -11 11 210 -2 10 -12 12 110 -1 10 -13 13 010 0 10 -14 14
  • Folie 15
  • 15M. Kresken pH- / pOH-Wert Die Konzentration an Hydronium-Ionen (H 3 O ) oder Hydroxid-Ionen (OH ) lsst sich bei allen verdnnten wssrigen Lsungen als Ma fr die Aziditt bzw. Basizitt einer Lsung verwenden. - + Beispiel: OH = 10 -5 mol/L; - + [H 3 O ] 10 -5 = 10 -14 mol 2 /L 2 ; + 10 -14 10 -5 [H 3 O ] = = 10 -9 mol/L; pH + 5 = 14 pH = 14 5 = 9 pOH = 5 - + In saurer Lsung berwiegt die Konzentration an H 3 O, in basischer die an OH. + - Solange die Lsungen sehr verdnnt sind, gilt das Ionen- produkt des Wassers (K w ), d.h., wenn man H 3 O kennt, lsst sich OH berechnen und umgekehrt.
  • Folie 16
  • 16M. Kresken pH- / pOH-Wert Beispiele: + [H 3 O ] = 10 -6 mol/L; pH = -lg -6 + [H 3 O ] = 2 10 -7 mol/L; pH = -lg 2 + -lg 10 -7 = 6 = -0,3 + 7= 6,7 + [H 3 O ] = 10 2 mol/L; pH = -lg 10 2 = -2
  • Folie 17
  • 17M. Kresken Strke von Suren und Basen Die Protonendonatorstrke einer Sure dokumentiert sich in wssriger Lsung darin, wie vollstndig die Protonenbertragung auf das Wasser abluft. Bei Basen kommt es darauf an, wie stark diese Protonen, die vom Wasser kommen, binden. Um die Strke einer Sure (HA) oder Base (B) zu definieren, wendet man das MWG auf die jeweiligen Dissoziationsgleichgewichte an: + HA + H 2 OH 3 O + A -+ B + H 2 OBH + OH - K = [H 3 O ] [A ] +- [HA] [H 2 O] K = [BH ] [OH ] +- [B] [H 2 O]
  • Folie 18
  • 18M. Kresken Strke von Suren und Basen Da sich die Konzentration an H 2 O durch die Dissoziation in verdnnter Lsung kaum verndert, wird H 2 O in die Gleichgewichtskonstante einbezogen. Man erhlt die Surekonstante K s bzw. die Basenkonstante K b in mol/L. Die Werte sind temperaturabhngig. K s = [H 3 O ] [A ] +- [HA] K b = [BH ] [OH ] +- [B]
  • Folie 19
  • 19M. Kresken pK s -Wert / pK b -Wert pK s = lg K s pK b = lg K b Findet man fr die Surekonstante (K s ) einen groen Wert, so liegt das Dissoziationsgleichgewicht weit rechts, d.h. die Sure ist stark. Kleine Surekonstanten (K s -Werte) deuten auf eine schwache Sure hin. Bildet man den negativen dekadischen Logarithmus der K s - und K b -Werte, so ergibt sich: Der pK s einer Sure und der pK b -Wert ihrer konjugierten Base hngen in wssriger Lsung wie folgt zusammen: pK s + pK b = 14 Der pK s - bzw. pK b -Wert ist das bliche Ma fr die Strke von Suren und Basen. Kleine oder negative pK s -Werte zeigen an, dass die Sure stark ist, groe Werte, dass sie schwach ist.
  • Folie 20
  • pK s -Werte einiger Sure-Base-Paare bei 15 C SurecharakterpKspKs Sure/konj. Base stark-6HCl / ClChlorwasserstoff / Chlorid -3H 2 SO 4 / HSO 4 Schwefelsure / Hydrgensulfat -1,7H 3 O / H 2 OHydronium-Ion / Wasser -1,3HNO 3 / NO 3 Salpetersure / Nitrat mittelstark1,9HSO 4 / SO 4 Hydrogensulfat / Sulfat 2,0H 3 PO 4 / H 2 PO 4 Phosphorsure / Dihydrogenphosphat schwach4,8H 3 CCOOH / H 3 CCOOEssigsure / Acetat 6,4CO 2 / HCO 3 Kohlendioxid / Hydrogencarbonat 7,1H 2 S / SHSchwefelwasserstoff / Hydrogensulfid 7,2H 2 PO 4 / HPO 4 Dihydrogenphosphat / Hydrogenphosphat sehr schwach9,2NH 4 / NH 3 Ammonium-Ion / Ammoniak 9,4HCN / CNBlausure / Cyanid 10,4HCO 3 / CO 3 Hydrogencarbonat / Carbonat 12,3HPO 4 / PO 4 Hydrogenphosphat / Phosphat 15,7H 2 O / OHWasser / Hydroxid-Ion - + + - - - - - - - -2 - - - 3 - -
  • Folie 21
  • 21M. Kresken Die pH-Werte in Zellen und in der Extrazellulrflssigkeit werden in engen Grenzen konstant gehalten. Im Blut schwankt der pH-Wert normalerweise nur zwischen 7,35 und 7,45. Dies entspricht einer maximalen nderung der H 3 O - Ionen (H + -Ionen) um etwa 30%. Der pH-Wert des Cytoplasmas ist mit 7,0 bis 7,3 etwas niedriger als der des Blutes. In Lysosomen (pH 4,5 - 5,5) ist die H 3 O -Konzentration einige hundertmal hher als im Cytoplasma. Extreme Werte findet man im Magen (pH 0,8 - 2) und im Dnndarm (pH > 8). Da die Nieren Suren oder Basen ausscheiden knnen, schwankt der pH-Wert des Urins besonders stark (pH 4,8 bis 7,5). pH-Werte im Organismus + +
  • Folie 22
  • 22M. Kresken Betrag und Konstanz des pH-Wertes im Zytoplasma einer Zelle oder in bestimmten Krperflssigkeiten wie z. B. dem Blut sind lebenswichtig. Der pH-Wert beeinflusst z.B. die Aktivitt von Enzymen, an deren Aufbau Aminosuren mit sauren und basischen Gruppen beteiligt sind. Im Stoffwechsel laufen viele Reaktionen ab, bei denen Protonen freigesetzt oder verbraucht werden. Dies birgt die Gefahr in sich, dass pH-nderungen im jeweiligen Milieu eintreten. Zellflssigkeiten mssen daher in der Lage sein, stoffwechselbedingte pH-Ste abzufangen (= zu puffern). Puffer
  • Folie 23
  • 23M. Kresken Pufferlsungen enthalten Stoffe (Puffersubstanzen), die dafr sorgen, dass sich bei Zugabe von Suren oder Basen der pH- Wert einer Lsung nur wenig ndert. Geeignete Puffersubstanzen sind: -Das Gemisch aus einer schwachen Sure und der konjugierten Base dieser Sure (z.B. Essigsure/Natriumacetat). -Das Gemisch aus einer schwachen Base und der konjugierten Sure dieser Base (z.B. Ammoniak/Ammoniumchlorid) Pufferlsungen
  • Folie 24
  • 24M. Kresken Beispiel: Ein quimolarer 0,2 M Acetat-Puffer liegt vor, wenn in 1 L einer wssrigen Pufferlsung 0,1 mol Essigsure und 0,1 mol Natriumacetat enthalten sind. Was passiert, wenn diese Lsung pH-Sten ausgesetzt wird. Acetat-Puffer -Zugabe von Sure: - H 3 CCOO + H 2 O + - H 3 O + H 3 CCOO H 3 CCOOH + H 2 O -Zugabe von Base: - OH + H 3 CCOOH In beiden Fllen entsteht neutrales Wasser, daneben entweder Essigsure oder deren Anion, die beide bereits schon in der Lsung vorhanden sind. Die Zunahme der Konzentration des einen oder anderen Bestandteils in der Pufferlsung wirkt sich auf den pH-Wert jedoch nur wenig aus.
  • Folie 25
  • 25M. Kresken Puffergleichung Nach Bildung des negativen dekadischen Logarithmus erhlt man: + - H 3 O + H 3 CCOO H 3 CCOOH + H 2 O K s = [H 3 O ] [H 3 CCOO ] +- [H 3 CCOOH] umgestellt: [H 3 O ] = K s [H 3 CCOOH] + - [H 3 CCOO ] pH = pK s - lg [H 3 CCOOH] - [H 3 CCOO ] umgestellt: pH = pK s + lg [H 3 CCOO ] - [H 3 CCOOH] Aus der Gleichung wird deutlich, dass der pH-Wert der Pufferlsung vom pK s -Wert der Essigsure und von dem Verhltnis der Puffersubstanzen (Essigsure/Acetat) abhngt.
  • Folie 26
  • 26M. Kresken Puffersysteme im Blut Der Kohlensure-Puffer ist daran beteiligt, den pH-Wert bei 7,4 konstant zu halten. Bei Krpertemperatur (37C) betrgt der pK s -Wert 6,1. Um den Blut-pH-Wert (7,4) zu erreichen, betrgt das Konzentrationsverhltnis der Puffersubstanzen: pH = 6,4 + lg [HCO 3 ] - [CO 2 ] pH = 6,1 + lg = 7,4 20 1 + - H 3 O + HCO 3 CO 2 + 2 H 2 O
  • Folie 27
  • 27M. Kresken Puffersysteme im Blut Kohlensure-Puffer Phosphat-Puffer Protein-Puffer