Säure-Base-Reaktionen: Übungen AFB III – Chemie Grundkurs

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Aufgabenblock — AFB III

Beurteilen, erklären, Stellung nehmen: Formulieren Sie Ihre Antwort zuerst selbst, bevor Sie die Musterlösung aufklappen.

Ist Wasser eine Base?

AFB III

In einem Schülerprotokoll steht: „Wasser ist eine Base, denn es nimmt bei \(\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}\) ein Proton auf.“ Beurteilen Sie diese Aussage mithilfe des Säure-Base-Begriffs nach Brönsted.

Hinweis: Betrachten Sie zusätzlich die Reaktion von Wasser mit Ammoniak.

Strategie: Rolle in einer bestimmten Reaktion von einer festen Stoffeigenschaft unterscheiden; Gegenbeispiel mit Ammoniak formulieren.Warum so? Ein Urteil braucht ein Kriterium — hier die Brönsted-Definition, die sich auf Teilchen in einer Reaktion bezieht.

Lösungsskizze: Begründung „nimmt Proton auf“ korrekt, Schluss „ist eine Base“ zu allgemein; \(\ce{H2O + NH3}\) \(\ce{<=> OH- + NH4+}\): Wasser als Säure → Ampholyt.

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Musterlösung: Die Begründung trifft für die genannte Reaktion zu: Wasser nimmt das Proton des Chlorwasserstoffs auf und reagiert hier als Protonenakzeptor, also als Brönsted-Base; es entsteht die korrespondierende Säure \(\ce{H3O+}\).

Der Schluss „Wasser ist eine Base“ ist aber zu allgemein. Nach Brönsted ist Säure bzw. Base keine Stoffeigenschaft, sondern eine Rolle in einer Reaktion. Gegenüber Ammoniak gibt Wasser ein Proton ab: \(\ce{H2O + NH3}\) \(\ce{<=> OH- + NH4+}\) — hier ist Wasser Säure. Wasser ist also ein Ampholyt. Richtig wäre: „Wasser reagiert in dieser Reaktion als Base.“

Warum wird es immer schwerer?

AFB III

Die drei Protolysestufen der Phosphorsäure haben die \(\mathrm{p}K_S\)-Werte \(2{,}13\), \(7{,}20\) und \(12{,}36\). Erklären Sie, warum jede weitere Stufe schwächer sauer ist, und formulieren Sie die Gleichungen aller drei Stufen.

Hinweis: Achten Sie auf die Ladung des Teilchens, das jeweils das nächste Proton abgeben soll.

Strategie: Gleichungen Stufe für Stufe mit Wasser als Base; dann elektrostatisch argumentieren: positives Proton, zunehmend negative Ladung des Anions.Warum so? „Erklären“ heißt, die Beobachtung (steigende \(\mathrm{p}K_S\)-Werte) auf ein Prinzip zurückzuführen — hier die Anziehung zwischen Ladungen.

Lösungsskizze: \(\ce{H3PO4}\) → \(\ce{H2PO4-}\) → \(\ce{HPO4^2-}\) → \(\ce{PO4^3-}\); Proton muss von immer stärker negativ geladenem Teilchen abgetrennt werden.

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Musterlösung: \(\ce{H3PO4 + H2O}\) \(\ce{<=> H2PO4- + H3O+}\) (\(\mathrm{p}K_S=2{,}13\)); \(\ce{H2PO4- + H2O}\) \(\ce{<=> HPO4^2- + H3O+}\) (\(7{,}20\)); \(\ce{HPO4^2- + H2O}\) \(\ce{<=> PO4^3- + H3O+}\) (\(12{,}36\)).

Mit jeder Stufe wird das Anion um eine Ladung negativer. Das positiv geladene Proton wird von einem immer stärker negativ geladenen Teilchen elektrostatisch angezogen und deshalb immer schwerer abgegeben. Umgekehrt nehmen die entstehenden Basen \(\ce{HPO4^2-}\) und \(\ce{PO4^3-}\) Protonen immer bereitwilliger auf. Die \(\mathrm{p}K_S\)-Werte steigen um jeweils etwa fünf Einheiten, d. h. \(K_S\) wird pro Stufe rund \(10^5\)-mal kleiner.

Natron im Magen und im Backofen

AFB III

Natron (Natriumhydrogencarbonat, \(\ce{NaHCO3}\)) wird gegen Sodbrennen (zu viel Salzsäure im Magen) eingenommen. Im Backpulver reagiert es beim Anfeuchten mit einer Säure und lässt den Teig durch \(\ce{CO2}\) aufgehen. Erläutern Sie die Rolle des Hydrogencarbonat-Ions mit Reaktionsgleichungen und ordnen Sie den Fachbegriff zu.

Hinweis: Bei Sodbrennen und Backpulver trifft \(\ce{HCO3-}\) jeweils auf eine Säure. Was entsteht und zerfällt dann?

Strategie: Gleichung mit \(\ce{H3O+}\) (Base-Rolle), Zerfall der Kohlensäure; dann Gleichung mit \(\ce{OH-}\) (Säure-Rolle) als Gegenstück.Warum so? „Erläutern“ verlangt, den Sachverhalt mit Beispielen und Fachbegriffen nachvollziehbar zu machen.

Lösungsskizze: \(\ce{HCO3- + H3O+}\) \(\ce{-> H2CO3 + H2O}\), \(\ce{H2CO3 -> CO2 + H2O}\); Säure-Rolle: \(\ce{HCO3- + OH-}\) \(\ce{-> CO3^2- + H2O}\) → Ampholyt.

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Musterlösung: Im Magen und im Backpulver reagiert das Hydrogencarbonat-Ion als Base: \(\ce{HCO3- + H3O+}\) \(\ce{-> H2CO3 + H2O}\). Die entstehende Kohlensäure zerfällt: \(\ce{H2CO3 -> CO2 + H2O}\). Das Gas lässt den Teig aufgehen; im Magen werden die Oxonium-Ionen verbraucht, der pH-Wert steigt.

Gegenüber stärkeren Basen kann \(\ce{HCO3-}\) auch ein Proton abgeben: \(\ce{HCO3- + OH-}\) \(\ce{-> CO3^2- + H2O}\). Ein Teilchen, das je nach Partner als Säure oder als Base reagiert, heißt Ampholyt. Die korrespondierenden Paare sind \(\ce{H2CO3}/\ce{HCO3-}\) und \(\ce{HCO3-}/\ce{CO3^2-}\).