Das chemische Gleichgewicht - uni-muenster.de · Lehramt 1a SS 2010 1 Das chemische Gleichgewicht Energieumsatz bei chemischen Reaktionen • Mit dem Ablauf chemischer Reaktionen

Lehramt 1a SS 2010 1

Das chemische Gleichgewicht

�� Energieumsatz bei chemischen ReaktionenEnergieumsatz bei chemischen Reaktionen

•• Mit dem Ablauf chemischer Reaktionen ist immer auch einMit dem Ablauf chemischer Reaktionen ist immer auch einUmsatz von Energie verbunden.Umsatz von Energie verbunden.

•• Man untersucht Man untersucht „„abgeschlossene Systemeabgeschlossene Systeme““, d.h. mit der, d.h. mit derUmgebung findet ein Energieaustausch, jedoch Umgebung findet ein Energieaustausch, jedoch keinkein

Materieaustausch statt.Materieaustausch statt.

•• Der Energieumsatz einer chemischen Reaktion wird mit derDer Energieumsatz einer chemischen Reaktion wird mit derGrGrößöße der e der „„freien freien ReaktionsenthalpieReaktionsenthalpie““ ∆∆GG beschrieben. beschrieben. Dabei istDabei ist

∆∆G = G = ∆∆H H -- T T ·· ∆∆S S

∆∆HH : : ReakionsenthalpieReakionsenthalpie(W(Wäärmetrmetöönung)nung)

∆∆SS : : ReakionsentropieReakionsentropieTT : Temperatur in Kelvin : Temperatur in Kelvin

•• Vorzeichenkonvention: negativ (Vorzeichenkonvention: negativ (––) Energie wird abgegeben) Energie wird abgegebenpositiv (+) Energie wird aufgenommenpositiv (+) Energie wird aufgenommen


Das chemische GleichgewichtDas chemische Gleichgewicht

�� Energieumsatz bei chemischen ReaktionenEnergieumsatz bei chemischen Reaktionen

•• Thermodynamische GrThermodynamische Größößen:en:

∆∆H < 0H < 0 exothermexotherm Reaktion setzt WReaktion setzt Wäärme freirme frei∆∆H > 0H > 0 endothermendotherm Reaktion verbraucht WReaktion verbraucht Wäärmerme

∆∆G < 0G < 0 exergonischexergonisch Reaktion lReaktion lääuft freiwillig abuft freiwillig ab∆∆G > 0G > 0 endergonischendergonisch Reaktion lReaktion lääuft uft nichtnicht freiwillig abfreiwillig ab∆∆G = 0G = 0 es herrscht Gleichgewichtes herrscht Gleichgewicht

S: Entropie:S: Entropie: MaMaßß ffüür die Unordnung eines Systemsr die Unordnung eines Systems

S = S = --k k ··lnWlnW k: k: BoltzmannkonstanteBoltzmannkonstante (1,38(1,38··1010--2323 JJ··KK--11))W: Zustandssumme W: Zustandssumme

(Summe aller m(Summe aller mööglichen Energieglichen Energie--ZustZustäändendeeines Systems, gewichtet nach der Wahreines Systems, gewichtet nach der Wahr--scheinlichkeitscheinlichkeit ihres Auftretens)ihres Auftretens)

∆∆S: ReaktionsentropieS: Reaktionsentropie



�� GleichgewichtsreaktionGleichgewichtsreaktionFFüür die allgemeine Reaktion r die allgemeine Reaktion aAaA + + eEeE ⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄⇄ bBbB + + dDdD gilt imgilt imGleichgewicht fGleichgewicht füür die r die Gleichgewichtskonstante KGleichgewichtskonstante KCC::

)E(c)A(c

)D(c)B(cK

ea

db

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅====c

c: Gleichgewichtskonzentrationenc: Gleichgewichtskonzentrationen∆∆G = 0G = 0Geschwindigkeit der Geschwindigkeit der HinHin--ReaktionReaktion ististgleich Geschwindigkeit der Rgleich Geschwindigkeit der Rüückck--ReaktionReaktion

Liegt bei der obigen Reaktion Liegt bei der obigen Reaktion kein kein GleichgewichtGleichgewicht vor, so kann man vor, so kann man statt der Gleichgewichtskonstanten Kstatt der Gleichgewichtskonstanten KCC den den Reaktionsquotienten QReaktionsquotienten Qebenso definieren:ebenso definieren:

)E(ca)A(ca

)D(ca)B(caQ

ea

db

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅====

caca: : „„aktuelleaktuelle““ KonzentrationenKonzentrationen∆∆G G ≠≠ 00

Ist Ist Q <Q < KKCC so lso lääuft die Reaktion freiwillig von uft die Reaktion freiwillig von links nach rechtslinks nach rechts ab,ab,∆∆G < 0G < 0

Ist Ist Q >Q > KKCC so lso lääuft die Reaktion freiwillig von uft die Reaktion freiwillig von rechts nach linksrechts nach links ab,ab,∆∆G > 0G > 0



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basen

1)1) DefinitionenDefinitionen�� Parallel zur Entwicklung der ChemieParallel zur Entwicklung der Chemie�� Klassifizierung der SubstanzeigenschaftenKlassifizierung der Substanzeigenschaften

a)a) Das Das ArrheniusArrhenius--KonzeptKonzept (1887)(1887)

�� SSääureure: bildet in Wasser H: bildet in Wasser H++--Ionen, z.B. HClIonen, z.B. HCl

�� BaseBase: : bildet in Wasser OHbildet in Wasser OH----Ionen, z.B. NaOHIonen, z.B. NaOH

�� NeutralisationNeutralisation: : SSääure + Base ure + Base →→→→ Salz + H2OOder:Oder: HH++ + OH+ OH-- →→→→ H2OGenauer: HH++(aq(aq)) + + OHOH--

(aq(aq)) →→→→ H2O

� Vorteil: Exakte Definition (erstmalig!)

� Einschränkung: Vollständige Dissoziation

� Nachteil: Beschränkung auf wässrige Systeme




b)b) Das Das BrBröönstedtnstedt--LowryLowry--KonzeptKonzept (1923)(1923)

�� SSääureure: Substanz, die : Substanz, die Protonen abgebenProtonen abgeben kannkann((ProtonenProtonen--DonatorDonator))

�� BaseBase: : Substanz, die Substanz, die Protonen aufnehmen Protonen aufnehmen kannkann((ProtonenProtonen--AkzeptorAkzeptor))

�� Beispiel: EssigsBeispiel: Essigsääure in Hure in H22OO

CHCH33COOCOOHH + H+ H22O HO H33OO+ + + CH+ CH33COOCOO--

SSääure1 Base2 Sure1 Base2 Sääure2 Base1ure2 Base1




Erweiterungen im Vergleich zum Erweiterungen im Vergleich zum ArrheniusArrhenius--KonzeptKonzept::

�� Die Reaktion ist Die Reaktion ist reversibelreversibel..

�� Zwei SZwei Sääureure--BaseBase--PaarePaare stehen im stehen im GleichgewichtGleichgewicht..

�� Amphotere Amphotere Stoffe: Substanzen (MolekStoffe: Substanzen (Moleküüle oderle oderIonen), die sowohl als SIonen), die sowohl als Sääure wie auch als Baseure wie auch als Basefungieren kfungieren köönnen sind jetzt definiert. nnen sind jetzt definiert. BsplBspl.: H.: H22OO

KommentarKommentar: : Eine bedeutungsvolle Erweiterung derEine bedeutungsvolle Erweiterung der((ArrheniusArrhenius--) Definition, insbesondere f) Definition, insbesondere füür r den Begriff der Base.den Begriff der Base.

CHCH33COOH + COOH + HH22OO HH33OO+ + + CH+ CH33COOCOO--

SSääure1 Base2 Sure1 Base2 Sääure2 Base1ure2 Base1

NHNH33 + + HH22OO NHNH44+ + + OH+ OH--

Base2 SBase2 Sääure1 Sure1 Sääure2 Base1ure2 Base1



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basenc)c) Das Das LewisLewis--Konzept (1938)Konzept (1938)

Basis: SBasis: Sääure muss ure muss nichtnicht mehr mehr ProtonenProtonen--DonatorDonator sein.sein.

�� SSääureure: : ElektronenpaarElektronenpaar--AkzeptorAkzeptor

z.B.: AlClz.B.: AlCl33, [Cr(CO), [Cr(CO)55], ...], ...

�� BaseBase: : ElektronenpaarElektronenpaar--DonatorDonator

z.B.: NHz.B.: NH33, Halogenide, ROR, PR, Halogenide, ROR, PR33, ..., ...

�� Beispiel:Beispiel: BFBF33 + NH+ NH33 FF33B B –– NHNH33

SSääure Base ure Base AdduktAddukt

�� Vorteil des LewisVorteil des Lewis--Konzeptes: sehr umfassendKonzeptes: sehr umfassend

�� Nachteil des LewisNachteil des Lewis--Konzeptes: Schwierigkeiten bei Konzeptes: Schwierigkeiten bei quantitativerquantitativer Behandlung. Behandlung.



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basend)d) AnmerkungenAnmerkungen

SSääuren und Basen werden sowohl im uren und Basen werden sowohl im BrBröönstedtnstedt--LowryLowry--KonzeptKonzept als auch im Lewisals auch im Lewis--Konzept Konzept nicht nicht als fixierteals fixierteStoffklassenStoffklassen sondern entsprechend ihrer sondern entsprechend ihrer FunktionFunktion definiert!definiert!

Konsequenzen:Konsequenzen: Die PhosphorsDie Phosphorsääure beispielsweise ist ure beispielsweise ist gegengegenüüber Schwefelsber Schwefelsääure eine Base ure eine Base bei der Reaktionbei der Reaktion

HH33POPO44 + H+ H22SOSO4 4 HH44POPO44++ + HSO+ HSO44

--




2)2) Eigendissoziation Wasser und Eigendissoziation Wasser und äähnliche Systemehnliche Systeme

�� EigendissoziationEigendissoziation: :

HA HHA H++ + A+ A--

HH22O + HO + H22O HO H33OO+ + + OH+ OH--

Symbol Symbol [A][A] : Konzentration des Stoffes A: Konzentration des Stoffes A

Massenwirkungsgesetz:Massenwirkungsgesetz: 22

3

]OH[

]OH[]OH[Kc

−−−−++++⋅⋅⋅⋅

====

Wobei HWobei H++ und Aund A--solvatisiertsolvatisiert (von L(von Löösungsmittelmoleksungsmittelmoleküülen len

„„umgebenumgeben““) sind.) sind.

�� Eigendissoziation des Wassers:Eigendissoziation des Wassers:




Da Da verdverdüünnte Lnnte Löösungensungen betrachtet werden, liegt der betrachtet werden, liegt der Stoff Wasser immer in groStoff Wasser immer in großßem em ÜÜberschuss vor; die berschuss vor; die Konzentration [HKonzentration [H22O]O] kann als kann als konstantkonstant betrachtet werden betrachtet werden (55,55 mol(55,55 mol··LL--11), da das obige Gleichgewicht f), da das obige Gleichgewicht füür die r die Eigendissoziation weit auf der Eigendissoziation weit auf der linkenlinken Seite der Gleichung Seite der Gleichung liegt.liegt.

KKww = K= Kcc··[H[H22O]O]22 == [[HH33OO++]]··[OH[OH--] ] = 10= 10--1414 molmol22 ··LL--22 (bei 25 (bei 25 °°C)C)

FFüür reines Wasser:r reines Wasser: [[HH33OO++] ] = = [OH[OH--] ] = 10= 10--77 mol mol ··LL--11

Somit gilt:Somit gilt:

])OHlog([pOH :bzw. ])OHlog([pH 3−−−−++++

−−−−====−−−−====

Das bedeutetDas bedeutet: Wenn: Wenn [[HH33OO++]] = 10= 10--22 mol mol ··LL--11 ist pH ist pH = 2= 2

somit somit [OH[OH--] ] = 10= 10--1212 mol mol ··LL--11 und und pOHpOH = 12= 12

14pOHpH ====++++



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und BasenAnmerkungAnmerkung: Das Gleichgewicht der Dissoziation von H: Das Gleichgewicht der Dissoziation von H22O ist starkO ist stark

temperaturabhtemperaturabhäängig!ngig!

25 25 °°C:C: KKww = 10= 10--1414 und [Hund [H33OO++] ] = = [OH[OH--] ] = 10= 10--77 molmol22 ··LL--22

100 100 °°C:C: KKww = 7,4= 7,4··1010--1414 und [Hund [H33OO++] ] = = [OH[OH--] ] = 2,7= 2,7··1010--77 molmol22 ··LL--22

HH++ :: Freie ProtonenFreie Protonen HH++ sind (in Wasser) nicht existenzfsind (in Wasser) nicht existenzfäähig! Siehig! Siewerden sofort werden sofort solvatisiertsolvatisiert (d.h. sie umgeben sich mit einer (d.h. sie umgeben sich mit einer HHüüllelle

aus Wassermolekaus Wassermoleküülen).len).

HH33OO++: H: H33OO++ hat in Hhat in H22O nur eine sehr kleine Lebensdauer (10O nur eine sehr kleine Lebensdauer (10--1313 sec).sec).

AustauschgleichgewichtAustauschgleichgewicht::

HH33OO++ + H+ H22O O HH22O O + H+ H33OO++

O OH++H

H H

HO OH

++H

H H

H




HH33OO++: : OxoniumOxonium--IonIon; weitere Spezies: ; weitere Spezies: HydroniumHydronium--IonenIonen, , z.B.: z.B.: HH55OO22

++ , , HH99OO44++ , ... Formal sind dies , ... Formal sind dies AddukteAddukte

von einem oder mehreren Hvon einem oder mehreren H22O O -- MolekMoleküülen an Hlen an H33OO++ : :

H HO

H

O

OHH

HH

OH H

⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕

O OHH

H H

H⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕




3)3) „„WasserWasseräähnlichehnliche““ LLöösungsmittelsungsmittel�� Die Die BrBröönstedschenstedsche Definition ist nicht auf HDefinition ist nicht auf H22O beschrO beschräänkt. nkt.

ÄÄhnliche Systeme sind NHhnliche Systeme sind NH33(fl), H(fl), H22SOSO44, HF, Alkohole, , HF, Alkohole, Eisessig, ...Eisessig, ...

�� FlFlüüssiger Ammoniak NHssiger Ammoniak NH33(fl)(fl)Schmelzpunkt: Schmelzpunkt: --77,7 77,7 °°C, Siedepunkt: C, Siedepunkt: --33,4 33,4 °°CC

EigendissoziationEigendissoziation: : 2 NH2 NH33 NHNH44

++ + NH+ NH22--

KKcc(NH(NH33)) ist sehr klein: Kist sehr klein: Kcc(NH(NH33)) = [NH= [NH44++]]··[NH[NH22

--] = 10] = 10--2929 molmol22··LL--2 2

(bei T = (bei T = --33,433,4°°C)C)..

D.h. das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite der ReaktD.h. das Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite der Reaktion.ion.

(vgl. hierzu: K(vgl. hierzu: KWW = 10= 10--1414 molmol22··LL--2 2 ; ; KKcc(Ethanol(Ethanol)) = 10= 10--2020 molmol22··LL--2 2 ))




4)4) SSääure ure –– Base Base –– Paar Paar �� BrBröönstednsted‘‘schesche Definition:Definition: SSÄÄURE BASEURE BASE + Proton+ Proton

SSääureure--BaseBase--PaarPaarBeispiel:Beispiel:

HCl HCl ClCl-- + H+ H++ SSääure ure -- Base Base -- Paar 1Paar 1

SSääure konjugierte Baseure konjugierte Base

HH++ + H+ H22O HO H33OO++ SSääure ure -- Base Base -- Paar 2Paar 2

konjugierte Base Skonjugierte Base Sääureure

HCl HCl + H+ H22O HO H33OO++ + Cl+ Cl-- ((ProtolyseProtolyse -- Reaktion)Reaktion)

SSääure(1) Base(2) Sure(1) Base(2) Sääure(2) Base(1)ure(2) Base(1)

-- In In ProtolyseProtolyse--ReaktionenReaktionen sind sind zwei Szwei Sääure ure –– Base Base –– PaarePaare beteiligt.beteiligt.-- Zwischen ihnen existiert ein Zwischen ihnen existiert ein GleichgewichtGleichgewicht..-- Wird nur Wasser als LWird nur Wasser als Löösungsmittel bersungsmittel berüücksichtigt, so tritt cksichtigt, so tritt immerimmer das das SSääure ure –– Base Base –– Paar Paar HH33OO++//HH22O O auf!auf!




�� Beispiele fBeispiele füür die r die ProtolyseProtolyse

SSääure1 Base2ure1 Base2 SSääure2 Base1ure2 Base1

HH22SOSO4 4 + + HH22OO HH33OO++ + HSO+ HSO44--

HSOHSO44-- + + HH22OO HH33OO++ + SO+ SO44

--

NHNH4 4 ++ + + HH22OO HH33OO++ + NH+ NH33

HH22O O + + HH22OO HH33OO++ + OH+ OH--

StStäärkerkederder

SSääureure

�� Anmerkungen:Anmerkungen:

�� Tendenz zu Abgabe von Protonen: Tendenz zu Abgabe von Protonen: grogroßß ⃕⃕⃕⃕⃕⃕⃕⃕ starke Sstarke Sääureure(z.B.: H(z.B.: H22SOSO44; HCl). Das Gleichgewicht liegt rechts.; HCl). Das Gleichgewicht liegt rechts.

�� Folglich: Die zur Folglich: Die zur starken Sstarken Sääureure zugehzugehöörige rige Base ist schwachBase ist schwach, , ihre Tendenz zur Aufnahme von Protonen ist gering (z.B. HSOihre Tendenz zur Aufnahme von Protonen ist gering (z.B. HSO44

--).).




�� AmpholyteAmpholyte: Stoffe, die je nach Reaktionspartner sowohl : Stoffe, die je nach Reaktionspartner sowohl

als Sals Sääure als auch als Base fungieren kure als auch als Base fungieren köönnen.nnen.

z.B.:z.B.:HSOHSO44

-- + + HH33OO++ HH22SOSO4 4 + + HH22OO

5)5) SSääuresturestäärke, rke, pKpKss –– WerteWerte

FFüür die r die ProtolysereaktionProtolysereaktion::

HSOHSO44-- + + HH22OO HH33OO++ + SO+ SO44

2--

HAHA + + HH22OO HH33OO++ + A+ A--

�� liegt das Gleichgewicht weit auf der liegt das Gleichgewicht weit auf der rechtenrechten Seite: Seite: starke Sstarke Sääure.ure.

�� liegt das Gleichgewicht weit auf der liegt das Gleichgewicht weit auf der linkenlinken Seite: Seite: schwache Sschwache Sääure.ure.




Quantitatives MaQuantitatives Maßß ffüür die Sr die Sääuresturestäärke:rke:

SSääurekonstante Kurekonstante Ks s

KKss ist die Gleichgewichtskonstante der ist die Gleichgewichtskonstante der

ProtolysereaktionProtolysereaktion::

HAHA + H+ H22O HO H33OO++ + A+ A--

sss KlogKp und ]HA[

]A[]OH[K 3 −=

⋅=

−+



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und BasenpKpKss –– Werte einiger SWerte einiger Sääure ure –– Base Base –– Paare bei 25 Paare bei 25 °°CC

SSääure Baseure Base pKpKssHClOHClO44 ClOClO44

-- --1010HCl Cl HCl Cl -- --77HH22SOSO44 HSOHSO44

-- --33HH33OO++ HH22O O --1,74 1,74 HNOHNO33 NONO33

-- --1,371,37HSOHSO44

-- SOSO442-- +1,96+1,96

HH22SOSO33 HSOHSO33-- +1,90+1,90

HH33POPO44 HH22POPO44-- +2,16+2,16

[Fe(H[Fe(H22O)O)66]]3+ [Fe(OH)(H[Fe(OH)(H22O)O)55]]2+ +2,46+2,46HF HF F F -- +3,18+3,18CHCH33COOH COOH CHCH33COO COO -- +4,75+4,75[Al(H[Al(H22O)O)66]]3+ [Al(OH)(H[Al(OH)(H22O)O)55]]2+ +4,974,97COCO22 + H+ H22O HCOO HCO33

-- +6,35+6,35[Fe(H[Fe(H22O)O)66]]2+ [Fe(OH)(H[Fe(OH)(H22O)O)55]]+ +6,74+6,74HH22S HSS HS-- +6,99+6,99HSOHSO33

-- SOSO332-- +7,20+7,20

HH22POPO44-- HPOHPO44

2-- +7,21+7,21[Zn(H[Zn(H22O)O)66]]2+ [Zn(OH)(H[Zn(OH)(H22O)O)55]]+ +8,96+8,96HCN CNHCN CN-- +9,21+9,21NHNH44

++ NHNH33 +9,25+9,25HCOHCO33

-- COCO332-- +10,33+10,33

HH22OO22 HOHO22-- +11,65+11,65

HPOHPO442-- POPO44

3-- +12,32+12,32HSHS-- SS2-- +12,89+12,89HH22O OHO OH-- +15,74+15,74NHNH33 NHNH22

-- +23+23OHOH-- OO2-- +29+29


SSääureurenimmtnimmt

zuzu


BaseBasenimmtnimmt

zuzu




�� ErlErlääuterungen:uterungen:

a)a) HClHCl(aq(aq)) + + HH22OO(aq)(aq) HH33OO++(aq) (aq) + + ClCl--(aq(aq))

S1S1 B2B2 S2S2 B1B1

Vergleich:Vergleich:

S1S1 ist stist stäärker als rker als S2S2: Das Gleichgewicht liegt hier also: Das Gleichgewicht liegt hier also

B2B2 ist stist stäärker als rker als B1B1: auf der schw: auf der schwäächeren Seite cheren Seite rechtsrechts}}}} }}}}b)b) CHCH33COOHCOOH(aq)(aq) + + HH22OO(aq)(aq) HH33OO++(aq) (aq) + + CHCH33COOCOO--(aq)(aq)

S1S1 B2B2 S2S2 B1B1


S1S1 ist schwist schwäächer als cher als S2S2: Das Gleichgewicht liegt hier also: Das Gleichgewicht liegt hier also

B2B2 ist schwist schwäächer als cher als B1B1: auf der schw: auf der schwäächeren Seite cheren Seite linkslinks}}}} }}}}




�� Nivellierender EffektNivellierender EffektIn In wwäässrigenssrigen LLöösungen:sungen:

�� HH22O vertrO verträägt nur Hgt nur H33OO++ als stals stäärkste Srkste Sääure ure

bzw. OHbzw. OH-- als stals stäärkste Base!rkste Base!

�� Folge: Eine stFolge: Eine stäärkere Srkere Sääure als Hure als H33OO++ bzw. bzw.

ststäärkere Base als OHrkere Base als OH-- wird nivelliert!wird nivelliert!

H2O

Konjugierte SäureH3O

+Konjugierte Base

OH-




Nach Tabelle ist HCl eine stNach Tabelle ist HCl eine stäärkere Srkere Sääure alsure als HH33OO++

und wir somit und wir somit „„abgebautabgebaut““ (Reaktion mit H(Reaktion mit H22O zu HO zu H33OO++))

NHNH22-- ist eine stist eine stäärkere Base als OHrkere Base als OH--, reagiert also in, reagiert also in

Wasser mit HWasser mit H22O vollstO vollstäändig zu NHndig zu NH33, zugunsten von OH, zugunsten von OH--..

Reaktion:Reaktion:NHNH22

--(aq)(aq) + + HH22OO(aq)(aq) NHNH33(aq) (aq) + + OHOH--(aq(aq))

B1B1 S2S2 S1S1 B2B2


B1B1//B2B2: OH: OH-- ist eine schwist eine schwäächere Base als NHchere Base als NH22-- Das Das GleichgeGleichge--

S1S1//S2S2: NH: NH33 ist eine schwist eine schwäächere Schere Sääure als Hure als H22O wicht liegt O wicht liegt rechtsrechts}}}}�� Analog findet man diesen nivellierenden Effekt des Wassers Analog findet man diesen nivellierenden Effekt des Wassers

als Lals Löösungsmittel bei den wassersungsmittel bei den wasseräähnlichen Systemen.hnlichen Systemen.




6)6) Die relative StDie relative Stäärke von Srke von Sääuren (und Basen)uren (und Basen)

�� Einteilung der SEinteilung der Sääuren:uren:

a)a) SSääuren, die keine OHuren, die keine OH--Gruppe enthaltenGruppe enthalten

z.B.: z.B.: HCl, HBr, HI, ...; HCl, HBr, HI, ...;

HH22S, HS, H22Se, ...; Se, ...;

HH33P, HP, H33As, ...As, ...

b)b) OxoOxo--SSääurenuren (S(Sääuren mit OHuren mit OH--Gruppen)Gruppen)

z.B.: z.B.: HOClHOCl, , HOBrHOBr, ...; , ...;

HH22SOSO33, H, H22SOSO44, ...; , ...;

HH33POPO44, H, H44SiOSiO44, ... , ...




zu a)zu a) Zwei Kriterien fZwei Kriterien füür die relative Sr die relative Sääuresturestäärkerke

�� ElektronegativitElektronegativitäät (EN)t (EN)

�� AtomgrAtomgrößößee

�� Innerhalb einer PeriodeInnerhalb einer Periode des Periodensystems der Elemente des Periodensystems der Elemente

(PSE): (PSE): Zunehmende SZunehmende Sääuresturestäärke rke von links nach rechts.von links nach rechts.

Beispiele: CHBeispiele: CH44 < NH< NH3 3 < H< H22O < HFO < HF

SiHSiH44 < PH< PH33 < H< H22S < HClS < HCl

GeHGeH44 < AsH< AsH33 < H< H22Se < HBrSe < HBr

ErklErkläärung: Bindung H rung: Bindung H –– E E „„wird gespaltenwird gespalten““

Wenn Wenn EN von E groEN von E großß werden die Elektronen derwerden die Elektronen der

Bindung zu E hin Bindung zu E hin „„gezogengezogen““, die Abspaltung des, die Abspaltung des

Protons erleichtert. Es resultiert eine Protons erleichtert. Es resultiert eine starke Sstarke Sääureure. . H E




�� Innerhalb einer GruppeInnerhalb einer Gruppe des Periodensystems der Elemente des Periodensystems der Elemente

(PSE): (PSE): Zunehmende SZunehmende Sääuresturestäärkerke von von „„oben nach untenoben nach unten““..

Beispiele:Beispiele: NHNH3 3 < PH< PH33 < AsH< AsH33

HH22O < HO < H22SS < H< H22Se Se

HF < HCl < HBr < HIHF < HCl < HBr < HI

ErklErkläärung: Die rung: Die AtomgrAtomgrößöße steigte steigt an.an.

Damit einher geht die Damit einher geht die Abnahme der Abnahme der

BindungsenergieBindungsenergie ((∆∆EE(B.E.)(B.E.)) der E ) der E –– H H –– Bindung.Bindung.

Als Folge lAls Folge läässt sich das Proton zunehmend sst sich das Proton zunehmend

leichter leichter „„abspaltenabspalten““..




zu b)zu b) OxosOxosääurenuren

�� Strukturelement Strukturelement HOHO--ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ Hier ist Hier ist ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ entweder ein Atom oder entweder ein Atom oder eine Atomgruppe.eine Atomgruppe.

�� Die SDie Sääuresturestäärke hrke häängt von den Eigenschaften von ngt von den Eigenschaften von ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ ab.ab.

�� Ist Ist ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ ein Metall der Hauptgruppenelemente (z.B. Na, K, Ca),ein Metall der Hauptgruppenelemente (z.B. Na, K, Ca),

so ist die Verbindung so ist die Verbindung HOHO--ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ eine eine BaseBase, wie z.B. KOH., wie z.B. KOH.

�� Ist Ist ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ ein Nichtmetall, so ist die Verbindung ein Nichtmetall, so ist die Verbindung HOHO--ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ eine eine SSääureure, wie z.B. , wie z.B. HOClHOCl..

�� Verantwortlich fVerantwortlich füür die Sr die Sääuresturestäärke ist die Polaritrke ist die Polaritäät des t des

Bindungssystems H Bindungssystems H –– O O ––ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ sowie die Stabilitsowie die Stabilitäät des t des

entstandenen Ions [O entstandenen Ions [O ––ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ]]--..




(1)(1) ElektronegativitElektronegativitäät (EN) von t (EN) von ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺIst die EN von Ist die EN von ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ grogroßß, so wird das , so wird das Bindungssystem stBindungssystem stäärker polar:rker polar:

H O ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺDie Die PolarisierungPolarisierung der Bindungen erleichtert dieder Bindungen erleichtert dieAbspaltung des HAbspaltung des H++ -- Ions.Ions.

Somit steigt die SSomit steigt die Sääuresturestäärke in der Reihe derrke in der Reihe derunterhalogenigenunterhalogenigen SSääuren mit der EN desuren mit der EN desHalogenelementes an:Halogenelementes an:

HOI < HOI < HOBrHOBr < < HOClHOCl < HOF < HOF




(2)(2) Anzahl der OH Anzahl der OH –– Gruppen an Gruppen an ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺStrukturelement (HO)Strukturelement (HO)nnⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ..

Ist n groIst n großß, so erh, so erhööht sich die ht sich die PositivierungPositivierung von von ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ,,

die elektronegativen Odie elektronegativen O--Atome ziehen ElektronenAtome ziehen Elektronen--

dichte von dichte von ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ ab, somit ist ein Hab, somit ist ein H++ leichter leichter

abzuspalten. Weiter ist dasabzuspalten. Weiter ist dasentstehende Anionentstehende Anion

stabiler, wenn mehrstabiler, wenn mehrSauerstoffatome vorhanden sind.Sauerstoffatome vorhanden sind.

Folglich findet man fFolglich findet man füür die Sr die Sääuresturestäärken:rken:

HH22SOSO33 << HH22SOSO44

HNOHNO22 << HNOHNO33

H O ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺO

O

O




FFüür die r die OxosOxosääurenuren der Halogene erhder Halogene erhäält man:lt man:

HOClHOCl << HOClOHOClO << HOClOHOClO22 << HOClOHOClO33

Unterchlorige Chlorige ChlorUnterchlorige Chlorige Chlor-- PerchlorPerchlor--SSääure Sure Sääure sure sääure sure sääureure

(3)(3) Kombination der beiden Effekte Kombination der beiden Effekte (Elektronegativit(Elektronegativitäät und Zahl der OHt und Zahl der OH--Gruppen an Gruppen an ⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺⒺ))

�� Gleiche Anzahl von OGleiche Anzahl von O--AtomenAtomen

HH44SiOSiO44 << HH33POPO44 << HH22SOSO44 << HClOHClO4 4

�� Unterschiedliche ElektronegativitUnterschiedliche Elektronegativitäät der t der SubstituentenSubstituenten

CHCH33COOH COOH << CFCF33COOH COOH

HH22SOSO44 << HSOHSO33FF , , HSOHSO33CFCF33




7)7) Quantitative Behandlung der SQuantitative Behandlung der Sääureure--BaseBase--GleichgewichteGleichgewichte

�� Bei der Bei der ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion

SSääureure + H+ H22O HO H33OO++ + Base+ Base

gilt (Gleichgewicht): Wenn die gilt (Gleichgewicht): Wenn die SSääure starkure stark ist, dann ist ihre ist, dann ist ihre konjugierte konjugierte Base schwachBase schwach..

�� Die StDie Stäärke von Srke von Sääure und Base kann quantitativ ure und Base kann quantitativ üüber deren ber deren ProtolysegradProtolysegrad αααααααα angegeben werden. Der angegeben werden. Der ProtolysegradProtolysegrad gibt gibt den Anteil der Substanz an, der dissoziiert ist.den Anteil der Substanz an, der dissoziiert ist.

)Base(c)OH(c

α :bzw. )Säure(c

)OH(cα

oo

3−−−−++++

========ccoo : Ausgangskonzentration: Ausgangskonzentrationc : aktuelle Konzentrationc : aktuelle Konzentration

(Gleichgewicht)(Gleichgewicht)



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basen�� Zu Berechnung von KZu Berechnung von KSS, K, KBB, , pKpKSS, , pKpKBB, pH, , pH, pOHpOH, ..., ...

Ist es zweckmIst es zweckmäßäßig, Sig, Sääuren bzw. Basen in uren bzw. Basen in KategorienKategorieneinzuteilen:einzuteilen:

Sehr starke SSehr starke Sääuren: uren: pKpKSS < 0< 0Starke SStarke Sääuren: uren: pKpKSS ≈≈ 00Mittelstarke SMittelstarke Sääuren: uren: pKpKSS = 0 = 0 -- 44Schwache SSchwache Sääuren: uren: pKpKSS > 4> 4

(Die entsprechende Einteilung gilt f(Die entsprechende Einteilung gilt füür Basen.)r Basen.)

a)a) Starke und sehr starke SStarke und sehr starke Sääuren (bzw. Basen)uren (bzw. Basen)Merkmal: Sie Merkmal: Sie dissoziierendissoziieren vollstvollstäändigndig in Wasser.in Wasser.

Folglich gilt:Folglich gilt: c(Hc(H33OO++) ) = = ccoo(S(Sääureure))c(OHc(OH--) = ) = ccoo(Base(Base))

Beispiele: Beispiele: EinbasigeEinbasige SSääure: HClure: HClEinbasigeEinbasige Base: NaOHBase: NaOH



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basen�� RechenbeispielRechenbeispiel: Gesucht: pH: Gesucht: pH--Wert einer HWert einer H22SOSO44--LLöösung.sung.

Gegeben: cGegeben: coo(H(H22SOSO44) ) = 1,0= 1,0··1010--22 molmol··LL--11

KKS2S2(HSO(HSO44--) = ) = 1,01,0··1010--22 molmol··LL--11

HH22SOSO44 ist eine ist eine zweibasigezweibasige SSääure.ure.

PrimPrimääre re ProtolyseProtolyse

Anfang Anfang (mol(mol··LL--11))

Im Gleichgewicht Im Gleichgewicht (mol(mol··LL--11))

HH22SOSO4 4 + H+ H22O HO H33OO++ + HSO+ HSO44--

0 0 1010--22 1010--22

1010--22 0 00 0

SekundSekundääre re ProtolyseProtolyse

Anfang Anfang (mol(mol··LL--11))

Im Gleichgewicht Im Gleichgewicht (mol(mol··LL--11)) (10(10--2 2 –– x) (10x) (10--2 2 + x) + x) xx

1010--22 1010--22 00

HSOHSO44-- + H+ H22O HO H33OO++ + SO+ SO44

22--

122

2

4

324 Lmol10

)x10(

)x10()x(

)HSO(c

)OH()SO(cK 2S

−−−−−−−−

−−−−

−−−−

−−−−

++++−−−−

⋅⋅⋅⋅====−−−−

++++⋅⋅⋅⋅====

⋅⋅⋅⋅====



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und BasenEs folgt: x = 0,41Es folgt: x = 0,41··1010--22 molmol··LL--11 c(Hc(H33OO++) = 10) = 10--22 + x = 1,41+ x = 1,41··1010--22 molmol··LL--1 1

pH = 1,85pH = 1,85

AchtungAchtung: Wenn K: Wenn KS2S2 nichtnicht angegeben wird gilt: c(Hangegeben wird gilt: c(H33OO++) = 2) = 2··ccoo(H(H22SOSO44).).

b)b) Mittelstarke SMittelstarke Sääuren (bzw. Basen)uren (bzw. Basen)Merkmal: Sie Merkmal: Sie dissoziierendissoziieren nicht nicht vollstvollstäändigndig in Wasser, d.h. in Wasser, d.h.

das das ProtolysegleichgewichtProtolysegleichgewicht liegt weder ganz auf liegt weder ganz auf der rechten noch ganz auf der linken Seite.der rechten noch ganz auf der linken Seite.

pKpKSS = 0 bis 4 (5); z.B. CH= 0 bis 4 (5); z.B. CH33COOH, HCOOH, HCN, ...COOH, HCOOH, HCN, ...

ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion:: HAHA(aq(aq)) + H+ H22O HO H33OO++(aq)(aq) + + AA--(aq(aq))

Ansatz: x = c(AAnsatz: x = c(A--) = c(H) = c(H33OO++))

xcx

)OH(c)HA(c

)OH(c)A(cK

o

2

3o

3S

−−−−====

−−−−

⋅⋅⋅⋅====

++++

++++−−−−

Oder: Oder: KKSS··(c(coo –– x) = xx) = x22 und xund x22 + + KKSS··x x -- KKSS··ccoo = 0= 0




o2

41

21

3 cKKK)OH(cx sss ⋅⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅⋅++++−−−−========++++

Bzw. fBzw. füür Basen:r Basen:

oB2B4

1B2

1 cKKK)OH(cx ⋅⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅⋅++++−−−−========−−−−

c)c) Schwache SSchwache Sääuren (bzw. schwache Basen)uren (bzw. schwache Basen)Merkmal: Sie Merkmal: Sie dissoziierendissoziieren nicht nicht vollstvollstäändigndig in Wasser, das in Wasser, das

ProtolysegleichgewichtProtolysegleichgewicht liegt liegt weitgehendweitgehend auf derauf derlinken Seite. linken Seite. pKpKSS > 4> 4

ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion:: HAHA(aq(aq)) + H+ H22O HO H33OO++(aq)(aq) + + AA--(aq(aq))

NNääherung: x = c(Aherung: x = c(A--) = c(H) = c(H33OO++) ) ccoo(HA(HA) ) ≫≫ c(Hc(H33OO++) somit c(HA) ) somit c(HA) ≈≈ ccoo(HA(HA) )

o

2

o

2

3o

3

cx

xcx

)OH(c)HA(c)OH(c)A(c

KS ≈−

=−

⋅=

+

+−




o3 cK)OH(cx s ⋅==+

Bzw. fBzw. füür sehr schwache Basen:r sehr schwache Basen:

)clogpK()OH(clogpH oS21

3 −=−=+

)clogpK()OH(clogpOH oB21 −=−=

−

d)d) MehrbasigeMehrbasige Systeme Systeme

�� Die primDie primääre, sekundre, sekundääre oder tertire oder tertiääre re ProtolyseProtolyse--ReaktionenReaktionenkköönnen nnen sehr unterschiedliche Ksehr unterschiedliche KSS-- (bzw. K(bzw. KBB--Werte) haben. Werte) haben. Entsprechende Entsprechende NNääherungenherungen mmüüssen u.a.bei ssen u.a.bei pHpH--BerechnungenBerechnungenangewandt werden.angewandt werden.


e)e) VerdVerdüünnungsgesetz bei nnungsgesetz bei ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion

ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion: :

DasDas ChemischeChemische GleichgewichtGleichgewicht


HAHA(aq(aq)) + H+ H22O HO H33OO++(aq)(aq) + + AA--(aq(aq))

Der DissoziationsgradDer Dissoziationsgrad αα istist::)HA(c

)OH(c

o

3+

=αααα

Somit:Somit: c(Hc(H33OO++) = c(A) = c(A--) = ) = αα··ccoo(HA(HA))

o

2

oo

2o

2

3o

c1cc

c

)OH(c)HA(c

)A(c)OH(cK 3

S ⋅

−=

⋅−

⋅=

−

⋅=

+

−+

αααα

αααα

αααα

αααα

Daher gilt die vereinfachte GleichungDaher gilt die vereinfachte Gleichungnurnur ffüür r αααααααα ≲≲≲≲≲≲≲≲ 3% 3% EssigsEssigsääureure: : ccoo = 0,1 mol= 0,1 mol··LL--11: : αα = 1,34%= 1,34%

ccoo = 0,001 mol= 0,001 mol··LL--11: : αα = 12,5%= 12,5%

o3 cK)OH(c s ⋅=+

KKSS ist konstant, somit gilt: ist konstant, somit gilt: -- αα wwäächst, wenn chst, wenn ccoo abnimmtabnimmt-- αα →→1, wenn 1, wenn cco o →→ 00

αα →→1: 100% dissoziiert, d.h. 1: 100% dissoziiert, d.h. ÜÜbergang zu bergang zu starken Sstarken Sääurenuren!!


8)8) Zusammenhang zwischen KZusammenhang zwischen KSS und Kund KBB eines eines konjugierten Skonjugierten Sääureure--BaseBase--PaaresPaares




FFüür eine beliebige Sr eine beliebige Sääure HA mit der konjugierten Base Aure HA mit der konjugierten Base A-- gilt:gilt:

SSääuredissoziationuredissoziation BasenreaktionBasenreaktion

HAHA + H+ H22O HO H33OO++ + A+ A-- AA-- + H+ H22O HA + OHO HA + OH--

)OH(c)OH(c)A(c

)OH(c)HA(c)HA(c

)A(c)OH(cKK 3

3BS

−+

−

−−+

⋅=⋅

⋅⋅

=⋅

)A(c)OH(c)HA(c

KB −

−⋅

=)HA(c

)A(c)OH(cK 3

S

−+⋅

=


Das Ionenprodukt von Wasser:Das Ionenprodukt von Wasser:

KKWW = K= KSS··KKBB = = c(Hc(H33OO++) ) ·· c(OHc(OH--))

Die Gleichgewichtskonstante Die Gleichgewichtskonstante KKWW ist das ist das IonenproduktIonenprodukt ffüür r Wasser. Der Zahlenwert ist:Wasser. Der Zahlenwert ist:

KKWW = 10= 10--1414 molmol22··LL--22 (bei T = 25 (bei T = 25 °°C)C)

pKpKWW = = pKpKSS + + pKpKBB = 14= 14

Dies bedeutet:Dies bedeutet:�� Ist Ist KKSS grogroßß, so ist , so ist KKBB kleinklein und umgekehrt.und umgekehrt.�� Die Feststellung, dass die konjugierte Base einer Die Feststellung, dass die konjugierte Base einer

starken Sstarken Sääure eine schwache Base ist, ist somit ure eine schwache Base ist, ist somit „„quantitativquantitativ““ belegt.belegt.

�� Sind in Aufgabenstellungen Angaben fSind in Aufgabenstellungen Angaben füür r pKpKSS, K, KSSetc. gemacht, so sind dies implizit auch Angaben etc. gemacht, so sind dies implizit auch Angaben üüber ber pKpKBB, K, KBB usw.usw.




9)9) SalzprotolyseSalzprotolyse

�� Salze Salze dissoziierendissoziieren nach Auflnach Auflöösung in Wasser (im sung in Wasser (im allgemeinen) allgemeinen) vollstvollstäändigndig in Kationen und Anionen.in Kationen und Anionen.

�� Eigenschaften der resultierenden LEigenschaften der resultierenden Löösungen:sungen:

�� Neutral:Neutral: z.B.: z.B.: NaCl, KBr, KNONaCl, KBr, KNO33, Ba(ClO, Ba(ClO33))22, ..., ...

�� Sauer:Sauer: z.B.:z.B.: NHNH44Cl, FeBrCl, FeBr22, AlCl, AlCl33, NaH, NaH22POPO44, ..., ...

�� Basisch: z.B.:Basisch: z.B.: NaAc, NaNONaAc, NaNO22, KCN, Na, KCN, Na22COCO33, ..., ...

�� KombinationenKombinationen

�� Salze von: starken SSalze von: starken Sääuren + starken Basen: neutral uren + starken Basen: neutral starken Sstarken Sääuren + schwachen Basen: saueruren + schwachen Basen: sauerschwachen Sschwachen Sääuren + starken Basen: basischuren + starken Basen: basischschwachen Sschwachen Sääuren + schwachen Basen: je nachuren + schwachen Basen: je nach

KKSS,K,KBB




�� ErlErlääuterungen:uterungen:�� NHNH44Ac : Neutral in wAc : Neutral in wäässriger Lssriger Löösung, weilsung, weil

pKpKSS(NH(NH44++) = 9,3 und ) = 9,3 und pKpKBB(Ac(Ac--) = 9,3) = 9,3

�� NHNH44CN : Basisch in wCN : Basisch in wäässriger Lssriger Löösung, weilsung, weilpKpKSS(NH(NH44

++) = 9,3 und ) = 9,3 und pKpKBB(CN(CN--) = 4,8) = 4,8

�� Vergleich NaHVergleich NaH22POPO44 und Naund Na22HPOHPO44

�� NaHNaH22POPO44



NaHNaH22POPO44 + H+ H22O O NaNa++(aq(aq)) + + HH22POPO44--(aq)(aq)

HH22POPO44-- : :

SSääuredissurediss.: .: HH22POPO44-- + H+ H22O O ⇄⇄ HH33OO++ + HPO+ HPO44

22-- KKSS

BasedissBasediss. : . : HH22POPO44-- + H+ H22O O ⇄⇄ OHOH-- + + HH33POPO44 KKBB

KKSS = 6,2= 6,2··1010--88 > > KKBB = 1,2= 1,2··1010--1212

Folge: HFolge: H++--Ionen werden mehr als OHIonen werden mehr als OH----Ionen gebildet.Ionen gebildet.

Daher: Die LDaher: Die Löösung reagiert sung reagiert sauersauer!!


�� NaNa22HPOHPO44



NaNa22HPOHPO44 + H+ H22O 2 O 2 NaNa++(aq(aq)) + + HPOHPO4422--(aq)(aq)

HPOHPO4422-- : :

SSääuredissurediss.: .: HPOHPO4422-- + H+ H22O O ⇄⇄ HH33OO++ + PO+ PO44

33-- KKSS

BasedissBasediss. : . : HPOHPO4422-- + H+ H22O O ⇄⇄ OHOH-- + + HH22POPO44

-- KKBB

KKSS = 1= 1··1010--1212 < < KKBB = 1,6= 1,6··1010--77

Folge: OHFolge: OH----Ionen werden mehr als HIonen werden mehr als H++--Ionen gebildet.Ionen gebildet.

Daher: Die LDaher: Die Löösung reagiert sung reagiert basischbasisch!!

�� Ionen, die Ionen, die nichtnicht weiter mit Hweiter mit H22O reagieren sind:O reagieren sind:

�� Anionen starker SAnionen starker Sääuren, z.B.: ClOuren, z.B.: ClO44--, Cl, Cl--, I, I--, NO, NO33

--, ..., ...

�� Kationen starker Basen, z.B.: LiKationen starker Basen, z.B.: Li++, Na, Na++, K, K++, Ca, Ca2+2+, Ba, Ba2+2+, Sr, Sr2+2+, ..., ...

Ursache: Nivellierender Effekt des Wassers.Ursache: Nivellierender Effekt des Wassers.


�� pHpH--WertberechnungWertberechnung einer Salzleiner Salzlöösung:sung:

�� Gegeben: Natriumacetat in Wasser, Konzentration Gegeben: Natriumacetat in Wasser, Konzentration c = 0,1 molc = 0,1 mol··LL--11; ; pKpKSS(HAc(HAc) = 4,74.) = 4,74.

Frage: Wie groFrage: Wie großß ist der ist der pHpH--WertWert der Lder Löösung?sung?



SalzprotolyseSalzprotolyse::

NaAcNaAc(aq(aq)) + H+ H22O O NaNa++(aq(aq) + ) + AcAc--(aq(aq))Und:Und:

AcAc--(aq(aq) ) + H+ H22O O OHOH--(aq(aq) + ) + HAcHAc(aq(aq))

Es handelt sich um eine Es handelt sich um eine BaseBase--ReaktionReaktion..

)Ac(c)HAc(c)OH(c

KB −

−⋅

= Da KDa KBB klein ist, gilt c(Acklein ist, gilt c(Ac--) = ) = ccoo(Ac(Ac--))

pKpKBB = 14 = 14 -- pKpKSS(HAc(HAc) und c) und c22(OH(OH--) = ) = KKBB··ccoo(Ac(Ac--))

Es folgt: cEs folgt: c(OH(OH--) = 10) = 10––5,135,13 bzw.: c(Hbzw.: c(H33OO++) = 10) = 10--8.878.87

Und : Und : pH = 8,87pH = 8,87


10)10) SSääure ure –– Base Base -- TitrationTitrationAllgemeines:Allgemeines:�� TitrationTitration: Ma: Maßßanalytisches Verfahren zur analytisches Verfahren zur

Konzentrationsbestimmung.Konzentrationsbestimmung.

�� Bei der Bei der SSääureure--BaseBase--TitrationTitration unterscheidet man 3 Funterscheidet man 3 Fäälle:lle:

-- TitrationTitration einer einer starken Sstarken Sääureure mit einer mit einer starken Basestarken Base..

-- TitrationTitration einer einer schwachen Sschwachen Sääureure mit einer mit einer starken Basestarken Base(bzw. umgekehrt).(bzw. umgekehrt).

-- TitrationTitration einer einer schwachen Sschwachen Sääureure mit einer mit einer schwachen schwachen BaseBase (bzw. umgekehrt).(bzw. umgekehrt).

a)a) TitrationTitration starke Sstarke Sääure mit starker Baseure mit starker Base�� Merkmale: Merkmale: -- Die gebildeten Salze gehen mit HDie gebildeten Salze gehen mit H22O O keinekeine

ProtolyseProtolyse--ReaktionReaktion ein.ein.

-- Der Der ÄÄquivalenzpunktquivalenzpunkt liegt bei liegt bei pH = 7pH = 7..




�� pHpH--Wert Berechnung:Wert Berechnung:

-- Vor Erreichen des Vor Erreichen des ÄÄquivalenzpunktes gilt:quivalenzpunktes gilt:



ges3 V

)Base(n)Säure(n)OH(c

−=

+

-- Am Am ÄÄquivalenzpunkt:quivalenzpunkt:

pH = 7 (Nur noch Eigendissoziation von WasserpH = 7 (Nur noch Eigendissoziation von Wasser

-- Nach dem Nach dem ÄÄquivalenzpunkt:quivalenzpunkt:

n: n: MolzahlenMolzahlen

VgesVges: Gesamtvolumen : Gesamtvolumen der Lder Löösungsung

gesV)Säure(n)Base(n

)OH(c−

=−

pH = pH = pKpKWW -- pOHpOH


�� Titrationskurve Titrationskurve

50 ml HCl (0,100 mol/L) mit NaOH (0,100 mol/L).50 ml HCl (0,100 mol/L) mit NaOH (0,100 mol/L).




b)b) TitrationTitration schwacher Sschwacher Sääure mit starker Baseure mit starker Base

�� Merkmale: Merkmale: -- Der pHDer pH--Wert durchlWert durchlääuft vor dem Erreichenuft vor dem Erreichen

des des ÄÄquivalenzpunktes den sog. quivalenzpunktes den sog. PufferbereichPufferbereich ((„„PufferungskurvePufferungskurve““).).

-- Die Titrationskurve hat Die Titrationskurve hat zwei Wendepunktezwei Wendepunkte::Bei pH = Bei pH = pKpKSS und am und am ÄÄquivalenzpunkt.quivalenzpunkt.

�� pHpH--WertberechnungWertberechnung::TitrationTitration EssigsEssigsääure (pKure (pKSS(HAc)=4,74; c(HAc)=4,74; coo=0,1 mol/L) mit NaOH =0,1 mol/L) mit NaOH (c=0,1 mol/L)(c=0,1 mol/L)



AcAc--(aq(aq) ) + H+ H22O O OHOH--(aq(aq) + ) + HAcHAc(aq(aq))

-- Vor Beginn der Vor Beginn der TitrationTitration::pH = pH = ½·½·((pKpKSS –– logclogcoo) = 2,87 Vereinfachung erlaubt, da:) = 2,87 Vereinfachung erlaubt, da:

KKSS<10<10--44 und c(HAc)=0,1 mol/Lund c(HAc)=0,1 mol/L


-- Erster Wendepunkt:Erster Wendepunkt:



Wenn der Punkt mit Wenn der Punkt mit c(HAcc(HAc) = c(Ac) = c(Ac--)) erreicht ist, dann gilt: erreicht ist, dann gilt: pH = pH = pKpKSS

-- ÄÄquivalenzpunkt:quivalenzpunkt:Es liegt eine reine Es liegt eine reine NaAcNaAc--LLöösungsung vor (Basevor (Base--Reaktion s.o.)Reaktion s.o.)

)HAc(c

)Ac(c)OH(cK 3

s

−+⋅

=)Ac(c)HAc(c

K)OH(c s3 −

+⋅=

−=

− )Ac(c)HAc(c

logpKpH s

NaAcNaAc(aq(aq)) + H+ H22O O NaNa++(aq(aq) + ) + AcAc--(aq(aq))AcAc--(aq(aq) ) + H+ H22O O OHOH--(aq(aq) + ) + HAcHAc(aq(aq))

pOHpOH = = ½·½·((pKpKBB –– logclogcoo))

Die Titrationskurve ergibt sich aus der Stoffmengenbilanz.Die Titrationskurve ergibt sich aus der Stoffmengenbilanz.

−=

− )Ac(c)HAc(c

logpKpH s


�� Titrationskurve Titrationskurve

50 ml 50 ml EssigsEssigsäärere (0,100 mol/L) mit NaOH (0,100 mol/L).(0,100 mol/L) mit NaOH (0,100 mol/L).




c)c) IndikatorenIndikatoren

�� Organische Farbstoffe, deren (sehr intensive) Farbe in der Organische Farbstoffe, deren (sehr intensive) Farbe in der LLöösung vom pHsung vom pH--Wert abhWert abhäängt.ngt.

�� Beispiele: Methylorange: Beispiele: Methylorange: rotrot bei pH<3,1; bei pH<3,1; gelbgelb bei pH>4,5bei pH>4,5Lackmus: Lackmus: rotrot bei pH<7; bei pH<7; blaublau bei pH>7bei pH>7

�� Vorgang:Vorgang:

Gleichgewicht: Gleichgewicht: HindHind ⇄⇄ HH++ + + IndInd--

wobei wobei HindHind und und IndInd-- unterschiedliche Farben besitzen.unterschiedliche Farben besitzen.z.B. fz.B. füür Lackmus:r Lackmus:



Oder: Oder: c(Indc(Ind--)/)/c(Hindc(Hind) = 10) = 10--77/c(H/c(H++))

Bei pH = 5: Bei pH = 5: c(Indc(Ind--)/)/c(Hindc(Hind) = 10) = 10--77/ 10/ 10--5 5 = 0,01= 0,01c(Hindc(Hind) ) ≫≫ c(Indc(Ind--) Farbe:) Farbe: rotrot

Bei pH = 8: Bei pH = 8: c(Indc(Ind--)/)/c(Hindc(Hind) = 10) = 10--77/ 10/ 10--8 8 = 10= 10c(Indc(Ind--) ) = 10= 10··c(HInd) Farbe: c(HInd) Farbe: blaublau

17S Lmol 10

)HInd(c)Ind(c()H(c

K −−

−+

⋅=⋅

=




11)11) PufferPuffer--LLöösungensungen�� Definition: Definition: LLöösungen, die einen definierten sungen, die einen definierten pHpH--WertWert haben,haben,

der etwa der etwa konstantkonstant bleibt, auch wenn Sbleibt, auch wenn Sääuren oderuren oderBasen in begrenzten Mengen zugesetzt werden.Basen in begrenzten Mengen zugesetzt werden.

Beispiele: PufferlBeispiele: Pufferlöösungen in der Natur:sungen in der Natur:

-- Meerwasser: pH Meerwasser: pH ≈≈ 8,1 bis 8,38,1 bis 8,3

-- Blut: pH Blut: pH ≈≈ 7,47,4

�� Zusammensetzung von PufferlZusammensetzung von Pufferlöösungensungen

a)a) Schwache Schwache SSääure + Salz der konjugierten Baseure + Salz der konjugierten Basez.B.: Essigsz.B.: Essigsääure / Natriumacetat.ure / Natriumacetat.

b)b) SchwacheSchwache Base + Salz der konjugierten SBase + Salz der konjugierten Sääureurez.B.: Ammoniak / Ammoniumacetat.z.B.: Ammoniak / Ammoniumacetat.




�� Wirkungsweise (HendersonWirkungsweise (Henderson--HasselbalchHasselbalch--Gleichung):Gleichung):

FFüür:r:

Gilt:Gilt:


)HA(c)A(c)OH(c

K 3S

−−−−++++⋅⋅⋅⋅

====

Ist KIst KSS klein und klein und αα ≲≲≲≲≲≲≲≲ 3% so ist c(HA) = 3% so ist c(HA) = ccoo(HA(HA))

Und:Und:)A(c

)HA(cK)Oc(H :oder

)HA(c)A(c)OH(c

K oS3

o

3S −−−−

++++−−−−++++

⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅

====

Verallgemeinerung: Verallgemeinerung:

−−−−====

)Base(c)Säure(c

logpKpH S

HendersonHenderson-- HasselbalchHasselbalch--GleichungGleichung



Gleichgewichte von SGleichgewichte von Sääuren und Basenuren und Basen�� Wirksamkeit:Wirksamkeit:

Die PufferlDie Pufferlöösungen sind sungen sind wirksamwirksam bei Konzentrationsbei Konzentrations--VerhVerhäältnissen Sltnissen Sääure zu Base wieure zu Base wie

Daraus ergeben sich pHDaraus ergeben sich pH--Werte: Werte: pH = pH = pKpKSS ±± 11

�� Beispiel:Beispiel: EssigsEssigsääure/Acetature/Acetat--PufferPuffer

Konzentration (HAc, NaAc): je 1 molKonzentration (HAc, NaAc): je 1 mol··LL--11, , pKpKSS = 4,74= 4,74

pHpH--Wert der LWert der Löösung:sung:

74,4pKL/mol 0,1L/mol 0,1

logpK)A(c

)HA(clogpKpH SSS ========

−−−−====

−−−−====

−−−−

110

bis 101

)Base(c)Säure(c

====




�� Frage: Welcher pHFrage: Welcher pH--Wert stellt sich ein nach der ZugabeWert stellt sich ein nach der Zugabevon 0,1 molvon 0,1 mol··LL--11 HH33OO++--IonenIonen? (z.B. Zugabe von HCl)? (z.B. Zugabe von HCl)

65,4L/mol )1,00,1(L/mol )1,00,1(

logpKpH S =

−

+−=

HAcHAc + H+ H22O HO H33OO++ + Ac+ Ac--

Anfang: 1,0 mol/L 1,Anfang: 1,0 mol/L 1,0 mol/L0 mol/LEnde: (1,0 + 0,1) mol/L (1,0 Ende: (1,0 + 0,1) mol/L (1,0 -- 0,1) mol/L0,1) mol/L

Vorgang: AcVorgang: Ac-- reagiert mit Hreagiert mit H++ zu HAc.zu HAc.

Folge: Folge:

Anmerkung: ErhAnmerkung: Erhööht man bei einer reinen Essigsht man bei einer reinen Essigsääure ure (1 mol/L) die Konzentration der H(1 mol/L) die Konzentration der H33OO

++--Ionen um Ionen um 0,1 mol/L (z.B. durch Zugabe einer starken 0,1 mol/L (z.B. durch Zugabe einer starken SSääure wie HCl mit 0,1 mol/L), so steigt der ure wie HCl mit 0,1 mol/L), so steigt der pHpH--Wert auf pH = 1.Wert auf pH = 1.




�� Frage: Welcher pHFrage: Welcher pH--Wert stellt sich ein nach der ZugabeWert stellt sich ein nach der Zugabevon 0,1 molvon 0,1 mol··LL--11 OHOH----IonenIonen? (z.B. Zugabe von NaOH)? (z.B. Zugabe von NaOH)

+

−−=

−

−

)]OH(c)Base(c[ )]OH(c)Säure(c[

logpKpH S

HAcHAc + OH+ OH-- HH22O + AcO + Ac--

Anfang: 1,0 mol/L 1,Anfang: 1,0 mol/L 1,0 mol/L0 mol/LEnde: (1,0 Ende: (1,0 -- 0,1) mol/L (1,0 + 0,1) mol/L0,1) mol/L (1,0 + 0,1) mol/L

Vorgang: HAc reagiert mit OHVorgang: HAc reagiert mit OH-- zu Aczu Ac--..

Folge: Folge:

Anmerkung: Nur HAc alleine, bei Zugabe von OHAnmerkung: Nur HAc alleine, bei Zugabe von OH-- von von 0,1 mol/L ergibt sich ein pH0,1 mol/L ergibt sich ein pH--Wert: pH = 13.Wert: pH = 13.

83,4)1,00,1( )1,00,1(

log74,4pH =

+

−−=

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Das chemische Gleichgewicht - uni-muenster.de · Lehramt 1a SS 2010 1 Das chemische Gleichgewicht Energieumsatz bei chemischen Reaktionen • Mit dem Ablauf chemischer Reaktionen