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Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 1 Säure-Base-Reaktionen Was sind Säuren und Basen? Experiment Beobachtung: Deionisiertes Wasser leitet den Strom praktisch nicht. Der Leitfähigkeitsprüfer leuchtet nicht. Wird Chlorwasserstoff zugegeben, beginnt die Lampe zu leuchten. Auswertung: Wenn gasförmiger Chlorwasserstoff in Wasser geleitet wird, entstehen aus ungeladenen Molekülen Ionen. Eine Lösung von Ionen leitet den Strom. Definition aus dem Beispiel ableiten: Säuren sind Protonenspender. Sie können H + an eine Base abgeben. In der Organischen Chemie ist es üblich, dass Pfeile von Elektronenpaaren ausgehen. Die obige Darstellung weicht von dieser Konvention ab und zeigt, dass H + von der Säure auf die Base übertragen wird. Die Richtung des Pfeils entspricht dem Begriff Protonenspender und passt zur Definition. Entscheiden Sie selber, wie Sie die Pfeile zeichnen wollen. Kontrollversuche: 1) Mit Silbernitrat-Lösung können die entstandenen Chlorid-Ionen nachgewiesen werden. 2) Der Leitfähigkeitspüfer leuchtet nicht, wenn Chlorwasserstoff in ein apolares Lösungsmittel, z. Bsp. Heptan geleitet wird. Amadeus Bärtsch 4. Juni 2018

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Säure-Base-ReaktionenWas sind Säuren und Basen?Experiment

Beobachtung: Deionisiertes Wasser leitet den Strom praktisch nicht. Der Leitfähigkeitsprüfer leuchtet nicht. Wird Chlorwasserstoff zugegeben, beginnt die Lampe zu leuchten.

Auswertung:Wenn gasförmiger Chlorwasserstoff in Wasser geleitet wird, entstehen aus ungeladenen Molekülen Ionen. Eine Lösung von Ionen leitet den Strom.

Definition aus dem Beispiel ableiten: Säuren sind Protonenspender. Sie können H+ an eine Base abgeben.In der Organischen Chemie ist es üblich, dass Pfeile von Elektronenpaaren ausgehen. Die obige Darstellung weicht von dieser Konvention ab und zeigt, dass H+ von der Säure auf die Base übertragen wird. Die Richtung des Pfeils entspricht dem Begriff Protonenspender und passt zur Definition. Entscheiden Sie selber, wie Sie die Pfeile zeichnen wollen.

Kontrollversuche:1) Mit Silbernitrat-Lösung können die entstandenen Chlorid-Ionen nachgewiesen werden.2) Der Leitfähigkeitspüfer leuchtet nicht, wenn Chlorwasserstoff in ein apolares Lösungsmittel, z.

Bsp. Heptan geleitet wird. Kein Schüler denkt an diese Abklärungen und entsprechend klein ist das Interesse. Ich lasse die Kontrollen meistens weg und lenke damit auch nicht vom primären Ziel ab vorzustellen, was eine Säure und eine Base ist. Anders sieht es aus, wenn man das wissenschaftliche Vorgehen thematisieren möchte. Dann bietet sich hier eine gute Gelegenheit Positiv- und Negativ-Kontrolle zu demonstrieren.

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Aufgabe: Säure-Base-Reaktionen formulieren

1) als Input vormachen: HNO3 + H2O

2) HCl + NH3

3) CH3COO- + HCl

4) H3O+ + OH-

5) HCOOH + H2O

Kommentar: Die Beispiele in dieser Aufgabe sind so gewählt, dass die Schüler die Säuren und Basen erahnen können. Folgende Argumente können die SuS zum jetzigen Zeitpunkt benützen: HCl wurde als Säure vorgestellt. Wegen den Coulomb-Kräften geben Kationen H+ ab und Anionen nehmen H+ auf. Weil Kohlenwasserstoffe reaktionsträge sind, gibt bei Ameisensäure nur die COOH-Gruppe ein Proton ab.

Erkenntnis: Es ist schwierig die Säuren und Basen zu identifizieren. Wir brauchen eine Tabelle.

Die SäurestärkeExperiment

Die Säure-Base-TabellePersönliche Empfehlung: Den pKs-Wert an dieser Stelle nicht thematisieren.Begründung: Viele Schülerinnen sehen nicht ein, weshalb die Konzentration von Wasser und die Gleichgewichtskonstante zu Ks zusammengefasst werden. Zudem haben viele Schüler kein gutes Verhältnis zum Logarithmus. Am Ende verwechseln Schüler pH und pKs oft und sehen nicht, dass das eine eine Konzentrationsangabe und das andere eine Materialgrösse ist. Der pKs kann bei Bedarf später eingeführt werden. Nach dem pH-Wert wird die Erklärung einfacher, weil sich die SuS an den Logarithmus gewöhnt haben. In Zeitnot verzichte ich im Grundlagenfach ganz auf den pKs-Wert.

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Säure/Base-Tabelle (Säure/Base-Paare, pKS- und pKB-Werte)

pKs-Wert Säuren

-9 HClO4 ClO4- 23

-8 HI I- 22

-7 HBr Br- 21

-6 HCl Cl- 20

-3 H2SO4 (Schwefelsäure) HSO4- 17

-1.74 H3O+ (Oxonium-Ion) H2O 15.74

-1.32 HNO3 (Salpetersäure) NO3- (Nitrat-Ion) 15.32

0 HClO3 ClO3- 14

0 PH4+ PH3 14

1.92 HSO4- SO4

2- (Sulfat-Ion) 12.08

1.96 H2SO3 HSO3- 12.04

1.96 H3PO4 (Phosphorsäure) H2PO4- 12.04

3.14 HF F- 10.86

3.22 C4H6O6 (Weinsäure) C4H5O6- 10.74

3.7 HCOOH (Ameisensäure) HCOO- (Formiat-Ion) 10.3

4.76 CH3COOH (Essigsäure) CH3COO- (Acetat-Ion) 9.24

6.46 H2CO3 (Kohlensäure) HCO3- 7.54

7.06 H2S HS- 6.94

7.2 HSO3- SO3

2- 6.8

7.21 H2PO4- HPO4

2- 6.79

9.21 NH4+ (Ammonium-Ion) NH3 (Ammoniak) 4.79

9.4 HCN CN- (Cyanid-Ion) 4.6

9.89 C6H5OH (Phenol) C6H5O- 4.11

10.40 HCO3- CO3

2- (Carbonat-Ion) 3.60

12.32 HPO42- PO4

3- (Phosphat-Ion) 1.68

12.9 HS- S2- 1.1

15.74 H2O OH- (Hydroxid-Ion) -1.74

16 CH3CH2OH (Ethanol) CH3CH2O- - 2

23 NH3 (Ammoniak) NH2- - 9

24 OH- (Hydroxid-Ion) O2- -10

Basen pKb-Wert

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Tabelle von Dr. K. Pfefferkorn, Kantonsschule Oerlikon

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Aufgaben: Säure-Base-Reaktionen formulieren

Reflexion: Die Beispiele sind für den Unterricht wichtig. Oft brauche ich viel Zeit bis ich mich entscheiden kann und überarbeite die Aufgaben nach dem Unterricht mehrmals. Warum wurden diese Beispiele gewählt? Was würden Sie für Ihren Unterricht ändern?

1) Input: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und bestimmen Sie die Lage des Gleichgewichts mit Hilfe der Säure-Base-Tabelle wenn CH3COOH, NaOH und Wasser gemischt werden.

Lernaufgabe 1. Teil

2) HF und KCN ähnlich wie Input; ev. die Substanzen vorstellen

3) NaCl und HCOOH Säure steht an 2. Stelle; Gl. gew. liegt links

4) NH3 und H2O Ampholyte; Ammoniak ist Base, nicht Säure.

Resultate diskutieren

Lernaufgabe 2. Teil

5) NH3 und NaH2PO4 Ampholyt

6) NaHCO3 und NaHSO4 Ampholyt; Experiment: Salz mischen, dann Wasser zugeben

7) Na2SO3 und HNO3 2-protonige Base

8) H3PO4 und NaOH 3-protonige Säure

Resultate diskutieren. Sie müssen bestimmt erklären wie mehrprotonige Säuren und Basen reagieren. In den folgenden Anwendungen mit Kalk und Eisensulfid wird die mehrfache Aufnahme von H+ geübt.

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Anwendungen

1. Entkalken

Aufgabe: Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Entkalkung, die zur Abbildung der Prozesse passt.

Mit einer Reaktionsgleichung können die Anfangs- und Endstoffe angegeben werdenCaCO3(s) + 2 HCl(g) Ca2+(aq) + CO2(g) + H2O + 2 Cl-

Wenn Sie den Prozess schrittweise beschreiben, wird es sehr unübersichtlich. Mir gefällt deshalb die oben stehende pauschale Reaktionsgleichung besser.HCl(g) Cl-(aq) + H3O+(aq)H3O+(aq) + CO3

2-(aq) HCO3-(aq)

H3O+(aq) + HCO3-(aq) H2CO3(aq)

H2CO3(aq) CO2(g) + H2O

Titration zur Bestimmung der Wasserhärte:

„Die Salzsäure zersetzt die im Wasser gelösten Hydrogenkarbonate. Erst wenn alle Hydrogenkarbonate in Chloride verwandelt sind, tritt im Wasser freie Säure auf, welche den Farbumschlag bewirkt.“

Erklärung im 9. Schuljahr

Experimente1. Kalk reagiert mit Säure

Demonstrationsexperiment und Arbeitsblatt von Stefan Sandriesser aus dem Experimentierkurs HS 2011. Siehe http://fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionen.

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2. WC-Ente, Putzessig und SalzsäureWC-Ente "WC-Ente forte enthält 10 % Ameisensäure. Diese ist mindestens so gut biologisch abbaubar wie Essig, entkalkt aber wirksamer." Leider steht dieser Satz heute nicht mehr auf der Packung. Jetzt verrät die Deklaration nur noch, dass das Produkt weniger als 10% Ameisensäure enthält.

Putzessig enthält 9,5 % Essigsäure

2. StinkbombeAufgabeChlorwasserstoff reagiert mit Eisen(II)-sulfid und ein übel riechendes Gas entweicht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung.

SchwierigkeitDie Schüler müssen erkennen, dass 2 Protonen übertragen werden und die Reaktionsgleichungen selbständig formulieren.

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DemonstrationEmpfehlung: Mit grossen Mengen Schwefelwasserstoff werden Sie nicht mehr Sympathie erhalten als mit kleinen. Ich würde nur wenig Schwefelwasserstoff erzeugen: In einem grossen Reagenzglas ein Stück Eisen(II)-sulfid mit 2 M Salzsäure überschichten und verschiedenen Schülerinnen und Schülern kurz unter die Nase halten. Allenfalls bei einem Schüler stehen lassen und fragen, wie wir die Reaktion abstellen könnten. Bald mit Natronlauge basisch stellen. Entsorgung: Basische Mischung mit Natriumthiosulfat reagieren lassen und dann in die Kanalisation leeren.

3. Brausetabletten

Demonstration In einem grossen, transparenten Becher 2.1 g Zitronensäure, 0.88 g Sorbit, 0.94 g Natrium-hydrogencarbonat, 0.225 g Vitamin C und 45 mg Aspartam (z. B. Canderel, 2-3 Tabletten) abwägen, 3 dl Wasser zugeben und die Klasse in kleinen Bechern degustieren lassen.

AufgabeHier sind 3 Inhaltsstoffe des Brausepulvers angegeben.

Wenn Wasser zugegeben wird, läuft eine Säure-Base-Reaktion ab.

1. Identifizieren Sie Säure und Base. Leider ist nur eine der 3 Substanzen in der Säure-Base-Tabelle aufgeführt.

2. Markieren Sie die Protonen, die die Säuren abgeben können mit Farbe in den Formeln.3. Formulieren Sie die Reaktion, die in Brausetabletten abläuft.4. Warum braust eine Brausetablette?

SchwierigkeitDie Schülerinnen müssen in der Säure-Base-Tabelle nach ähnlichen Substanzen suchen, COOH als Säure identifizieren und die Alkohol-Gruppe nicht mit Hydroxid verwechseln

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Labor: Chlorwasserstoff und SalzsäureWenn Sie neben den Theoriestunden auch Laborunterricht haben, wäre es jetzt günstig das Praktikum "Chorwasserstoff und Salzsäure" durchzuführen. Die Anleitung finden Sie auf der Plattform http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47875789/Labor im Grundlagenfach

Dieses Praktikum lohnt sich: Die Schüler müssen eine komplizierte Apparatur aufbauen, was handwerkliches Geschick

erfordert. Der Springbrunnen ist spektakulär und ruft nach einer Erklärung Es geht um eine wichtige Säure Schüler sind überrascht, dass Gase in Wasser gelöst werden können.

Erkenntnisse: Chlorwasserstoff ist ein Gas Salzsäure ist eine Lösung von Chlorwasserstoff in Wasser Konzentrierte Salzsäure enthält 37 % Chlorwasserstoff

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NeutralisationInszenierungNatriumhydroxid und Chlorwasserstoff werden in Wasser gelöst und gemischt. Formulieren Sie die

Reaktionsgleichung:

Na+(aq) + OH-(aq) + HCl(aq) Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O

Das heisst: Aus ätzender Natronlauge und ätzender Salzsäure entsteht Salzwasser, mit dem z. B. Teigwaren zubereitet werden können.

Experiment: Natronlauge und Salzsäure mischen, Mengen aber nicht abmessen

Wer will degustieren? Die Mischung jemandem aufdrängen.

Halt! Warum ist das gefährlich? Wir brauchen dieselbe Stoffmenge! Experiment anpassen: Wenig Bromthymolblau zugeben, rühren und neutralisieren.

Wer will degustieren? Jetzt will niemand mehr degustieren. Deshalb nehme ich einen kleinen Schluck.

Notizen

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Der pH-WertExperiment pH von Cola (pH 2,4), Essig (pH 2,7), Mineralwasser und Seifenwasser messen

Auswertung: Der pH-Wert ist ein Mass für die

Konzentration an H3O+

Der pH-Wert legt die Konzentra-tion der Hydronium-Ionen fest

Je tiefer der pH-Wert, desto grösser ist die Konzentration von H3O+

DefinitionpH = - log[H3O+]

Der pH-Wert starker Säuren1. Bsp. als Input vormachen. Rechnung mit

einer Skizze versehen, wie es rechts abgebildet ist:Wie gross ist der pH-Wert, wenn 2 g HCl in 3 Liter Wasser gelöst werden.

Selbständige Arbeit2. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn

2 g HBr in 3 Liter Wasser gelöst werden.

3. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn 2 g CH3COOH in 3 Liter Wasser gelöst werden.

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Diskussion: Obwohl HBr eine stärkere Säure ist als HCl, ergibt sich ein höherer pH-Wert, weil die Molekülmasse grösser ist. Auch in Essigsäure-Lösung ist der pH höher, weil sie eine schwache Säure ist und die Voraussetzung der Berechnung nicht erfüllt ist.

Die AutoprotolyseM. Stieger zeigt im Buch "Elemente", wie Sie die Autoprotolyse einführen könnten (S. 227, 2008)

Erkenntnis: Ionenprodukt: [H3O+] · [OH-] = 10-14 mol2·L-2

das heisst: Die Konzentrationen von H3O+ und OH- sind voneinander abhängig. Weil sie miteinander reagieren können nie viel H3O+ und viel OH- nebeneinander in einer Lösung existieren.

pH [H3O+] [OH-] [H3O+] · [OH-]

12 10-12 mol/L 10-2 mol/L 10-14 mol2·L-2 basisch: wenig H3O+ viel OH-

7 10-7 mol/L 10-7 mol/L 10-14 mol2·L-2 neutral: geringe Konzentrationen von H3O+ und OH-

1 10-1 mol/L 10-13 mol/L 10-14 mol2·L-2 sauer: viel H3O+ wenig OH-

Empfehlungen

Ich thematisiere die Autoprotolyse erst an dieser Stelle, also nach der Einführung des pH, dann wenn das Ionenprodukt für die Berechnung der pH-Werte starker Basen nötig ist.

Die Leitfähigkeit von reinem Wasser lässt sich nicht demonstrieren. Das Wasser ist bestimmt nicht rein genug für diese Messung.

pH-Berechnungen sollten meiner Meinung nach nicht allzu viel Zeit beanspruchen. Ich beschränke mich im Grundlagenfach auf den pH-Wert starker Säuren und Basen.

Der pH-Wert starker BasenAufgabe: Wie gross ist der pH-Wert, wenn 4 g Natriumhydroxid in 10 Liter Wasser gelöst werden?

Tipp: Berechnungen mit Skizzen versehen. Die Skizze wird übersichtlicher, wenn die Na+-Ionen in der Lösung weggelassen werden.

Aufgabe: Der pH-Wert einer Lösung beträgt -6.a) Wie gross ist die Konzentration an H3O+?b) Wie gross ist die Masse von H3O+ in einem Liter?Erkenntnis: Der pH-Wert wird nur in verdünnten, wässrigen Lösungen gemessen.

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IndikatorenBsp. Bromthymolblau

Aufgabe: Worin unterscheiden sich die beiden Formen?

gelb blau

Vereinfachung:

C27H28Br2O5S C27H27Br2O5S –

HIn In -

oder: HIn + H2O In - + H3O+ Le Châtelier erklärt den Farbumschlag

Erkenntnisse Indikatoren reagieren als Säure oder Base Bromthymolblau kommt in zwei Formen vor, die sich in der Farbe unterscheiden, weil die

konjugierten Doppelbindungen verändert werden.

Säuren reagieren mit Wasser zu H3O+und protonieren die negativ geladene Form des Indikators:

Demonstration: Gelbe Zettel mit HIn und blaue Zettel mit In– anschreiben. Immer einen gelben und blauen Zettel aufeinander legen und mit einem Magneten an der Tafel befestigen. So kann der Farbumschlag erklärt werden.

Basen erzeugen OH- und reagieren mit HIn:

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Indikatoren haben unterschiedliche Farben und Umschlagsbereiche

Bromthymolblau

Methylorange

Methylrot

Phenolphthalein

Thymolblau

pH= 1 4 7 9 13

Material: 25 Bechergläser (Grösse 25 ml) auf Glasplatte Methylorange, Methyrot, Bromthymolblau, Phenolphthalein und Thymolblau 0,1 M Salzsäure und 0,1 M Natronlauge Puffer pH 4, 7 und 9 jeweils 1:20 verdünnt

Vorbereitung: Lösungen 2 cm hoch in die Bechergläser abfüllenIn der Lektion: Indikator-Lösungen zutropfen

Schüler mischen einen Universalindikator selber Aufgabe: Welche Mischung der oben erwähnten Indikatoren zeigt bei jedem pH-Wert eine andere Farbe? Lösung: 2 Teile Methylrot, und je einen Teil Thymolblau und Bromthymolblau. Der Indikator verhält sich dann wie eine Ampel.

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PufferCornelia Luginbühl (Experimentierkurs 2012)Anleitung und Arbeitsblatt finden Sie auf www.fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionen

Demonstration

1) In ein mit deionisiertem Wasser gefüllten Becherglas tropfenweise 1M HCl zugeben. Nach ca. 10 Tropfen ist der pH-Wert auf ca. 3 gesunken.

2) Zu dieser Lösung nun 1M NaOH zugeben. Nach 15 Tropfen steigt der pH-Wert auf ca. 9

3) Nun das Gleiche mit der Pufferlösung wiederholen. 10 Tropfen HCl dazugeben, pH-Wert?15 Tropfen NaOH dazugeben, pH-Wert?

4) Um die Wirksamkeit der Pufferlösung stärker zu veranschaulichen und die Pufferkapazität zu thematisieren weiter 1M NaOH oder HCl dazugeben, zuerst tropfenweise, dann hineinleeren bis sich der pH-Wert deutlich ändert.

Reaktionsgleichung: CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+

Erklärung

Da wir bei der Zugabe einer Säure oder einer Base keine pH-Änderung beobachten können, heisst es, dass diese von den Komponenten der Pufferlösung neutralisiert werden.

Vorschlag: 1) Lehrperson erklärt mit Abbildung.2) SuS müssen in Worten oder mit einfacher Skizze selbständig notieren

Abbildung aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim (1981)

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Erklärung

Da wir bei der Zugabe einer Säure oder einer Base keine pH-Änderung beobachten können, heisst es, dass diese von den Komponenten der Pufferlösung neutralisiert werden.

Vorschlag: 1) Lehrperson erklärt mit Abbildung.2) SuS müssen in Worten oder mit einfacher Skizze selbständig notieren

Abbildung aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim (1981)

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Demonstration und Erklärung von Damaris Niggli (Experimentierkurs 2011)Anleitung und Arbeitsblatt auf www.fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionenn

Wasser (an der Tafel)

PufferIn unserem Puffersystem steht HA für die schwache Säure, A- für die konjugierte Base. Aufgabe: Füllen Sie die Bechergläser mit den richtigen Molekülen und malen Sie die Lösungen entsprechend ihrem pH grün, blau oder gelb.

Lösung:

TitrationIdeal ist es, wenn die Titration in der Stunde eingeführt und anschliessend im Labor vertieft wird.

Das Demonstrationsexperiment wurde von Rudi Pletzer im Experimentierkurs 2012 beschrieben und mit einem Arbeitsblatt ergänzt. Die Unterlagen finden Sie auf der Plattform.

Auch eine Laboranleitung ist eingestellt.

Auftraga) Erklären Sie den Äquivalenzpunkt mit in einer Skizze.b) Erklären Sie einem Schüler, warum der Äquivalenzpunkt häufig nicht bei pH 7 liegt.

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Übung 4: Animationen1. Empfehlen Sie eine Animation, die Ihnen besonders gut gefällt, begründen Sie die Wahl kurz

und geben Sie die Quelle an.Wir werden die Empfehlungen am 13. April austauschen damit Sie einige ausgezeichnete Animationen kennen lernen. Könnten Sie – wenn möglich – Ihren Laptop mitnehmen?

Sie können selber suchen oder eine der folgenden Webseiten benützen:http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/chemistryhttp://www.chem.arizona.edu/chemt/ido.html finden Sie viele Animationen.

2. Animation und Unterricht sollten aufeinander abgestimmt sein. Animationen sind schnell vorüber und vergessen. Auch wenn alles klar visualisiert ist lohnt es sich, die wesentlichen Punkte festzuhalten.

a) Entwerfen Sie eine Notiz, die Sie vor oder nach der Animation, die Sie gewählt haben an die Wandtafel schreiben damit die Erkenntnisse gesichert werden.

b) Schlagen Sie eine oder 2 Aufgaben zu Ihrer Animation vor.

Erwartung: Dokument von 1 bis 2 Seiten Länge, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten als Word-Dokument, im Notfall als PDF.

Abgabe bis spätestens Montag, 9. April 2018, 23 Uhr per Mail an [email protected].

Amadeus Bärtsch 4. Juni 2018