Aufgabenblock — AFB III
Begründen statt nur rechnen: Aussagen beurteilen, Fehler finden, Experimente entwickeln und Zusammenhänge herleiten — erst selbst aufschreiben, dann die Musterlösung aufklappen.
Beurteile die Aussage: „Reines Wasser ist neutral — also enthält es überhaupt keine Oxonium- und keine Hydroxid-Ionen.“
Hinweis: Denke an die Reaktion von Wasser mit sich selbst.
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Musterlösung: Die Aussage ist falsch. Wasser ist ein Ampholyt und reagiert in winzigem Umfang mit sich selbst (Autoprotolyse): \(\mathrm{H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-}\). Bei 25 °C gilt \(c(\mathrm{H_3O^+}) = c(\mathrm{OH^-}) = 10^{-7}\,\mathrm{mol/L}\), denn das Produkt beträgt \(10^{-14}\,\mathrm{mol^2/L^2}\). „Neutral“ bedeutet also nicht „ohne Ionen“, sondern „gleich viele Oxonium- wie Hydroxid-Ionen“ — pH 7. Richtig an der Aussage ist nur, dass es sehr wenige Ionen sind: Deshalb leitet reines Wasser den Strom kaum.
Ammoniak \(\mathrm{NH_3}\) enthält kein einziges Hydroxid-Ion, trotzdem färbt Ammoniakwasser Universalindikator blau. Begründe diesen Befund mit dem Basebegriff nach Brønsted.
Hinweis: Wer liefert in Ammoniakwasser das Proton, wer nimmt es auf?
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Musterlösung: Nach Brønsted ist eine Base ein Protonenakzeptor. Das N-Atom im Ammoniak-Molekül besitzt ein freies Elektronenpaar, an das es ein Proton eines Wassermoleküls binden kann: \(\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-}\). Das Wassermolekül ist dabei Protonendonator; zurück bleibt ein Hydroxid-Ion. Die \(\mathrm{OH^-}\)-Ionen, die den Indikator blau färben, stammen also aus dem Wasser, nicht aus dem Ammoniak. Weil nur ein kleiner Teil der Ammoniak-Moleküle reagiert, ist Ammoniakwasser nur schwach alkalisch.
Schwefelsäure \(\mathrm{H_2SO_4}\), das Hydrogensulfat-Ion \(\mathrm{HSO_4^-}\) und das Sulfat-Ion \(\mathrm{SO_4^{2-}}\) hängen über Protonenübergänge zusammen. Begründe, welches dieser Teilchen als Ampholyt reagieren kann und welches nicht.
Hinweis: Prüfe für jedes Teilchen: abgebbares H-Atom? Freies Elektronenpaar für ein neues Proton?
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Musterlösung: Das Hydrogensulfat-Ion ist ein Ampholyt: Es hat noch ein an O gebundenes H-Atom, das es als Proton abgeben kann (\(\mathrm{HSO_4^- + H_2O \longrightarrow SO_4^{2-} + H_3O^+}\)), und freie Elektronenpaare an den O-Atomen, mit denen es ein Proton aufnehmen kann (es wird dann wieder zu \(\mathrm{H_2SO_4}\)). Das Sulfat-Ion besitzt kein H-Atom mehr und kann nur noch als Base reagieren. Die Schwefelsäure gibt in wässriger Lösung bereitwillig Protonen ab und wird im Unterricht nur als Säure betrachtet. Damit steht \(\mathrm{HSO_4^-}\) als einziges der drei Teilchen in beiden korrespondierenden Paaren.