Säure/Basen Theorien - Universität Regensburg · Beispiele Lewis Brönstedt Arrhenius/Otwald HCl,...
29
Säure/Basen Theorien Besitzen freie Elektronenpaare Besitzen Elektronenlücken, die ein Elektronenpaar unter Bildung einer koordinativen Bindung aufnehmen können Lewis Nehmen H + auf (Protonenakzeptor) Geben H + ab (Protonendonor) Brönstedt Geben OH - ab Geben H + ab Arrhenius/Otwald (Dissoziationstheorie) Basen Säuren Theorie
-
Upload
duongnguyet -
Category
Documents
-
view
216 -
download
0
Transcript of Säure/Basen Theorien - Universität Regensburg · Beispiele Lewis Brönstedt Arrhenius/Otwald HCl,...
Säure/Basen Theorien
Besitzen freie Elektronenpaare
Besitzen Elektronenlücken, die ein Elektronenpaar unter Bildung einer koordinativen Bindung aufnehmen können
Lewis
Nehmen H+ auf
(Protonenakzeptor )
Geben H+ ab
(Protonendonor )
Brönstedt
Geben OH- abGeben H+ abArrhenius/Otwald(Dissoziationstheorie)
BasenSäurenTheorie
Beispiele
Lewis
Brönstedt
KOH, NaOH, NH4OHHCl, H2SO4Arrhenius/Otwald(Dissoziationstheorie)
BasenSäurenTheorie
H+ + H2PO42-H3PO4
H+ + Cl-HCl
H+ + NH3NH4+
H+ + Fe(OH)(H2O)52+Fe(H2O)6
3+
Ag+ + 2 CN-
BF3 + NH3 H3N BF3
[Ag(CN)2]-
Stärken von Säuren und Basen
• Stärke einer Säure/Base über GGW-Konstante der Reaktion mit Lösungsmittel (Wasser)
HB + H2O H3O+ + B- B- + H2O OH- + HB
s3
)HB(
)B()OH(K
c
cc =⋅ −+
b)B(
)HB()OH(K
c
cc =⋅−
−
ss lgpK K−= bb lgpK K−=
• Wasser kann als Säure oder Base fungieren (Ampholyt)
Beziehung zwischen Ks und Kb
HB + H2O H3O+ + B-
B- + H2O OH- + HB
H2O + H2O + HB + B- B- + HB + OH- + H3O+
H2O + H2O OH- + H3O+
Ks
Kb
Ks * Kb = Kw
14pKpKpKlmol10 wbs2214
wbs ==+==⋅ −−KKK
pKs-Werte einiger korrespondierender Säure/Base-Paare in Wasser (25 °C)
6,52+ H+HCO3-CO2+H2O
9,25+ H+NH3NH4+
10,40+ H+CO32-HCO3
-
7,12+ H+HPO42-H2PO4
-
12,32+ H+PO43-HPO4
2-
~23+ H+NH2-NH3
14+ H+OH-H2O
4,75+ H+Ac-HAc
2,46+ H+[Fe(H2O)5(OH)]2+[Fe(H2O)6]3+
1,96+ H+H2PO4-H3PO4
1,92+ H+SO42-HSO4
-
1,90+ H+HSO3-SO2+H2O
0+ H+H2OH3O+
-1,4+ H+NO3-HNO3
-2,7+ H+ClO3-HClO3
~ -3+ H+HSO4-H2SO4
~ -7+ H+Cl-HCl
~ -9+ H+Br-HBr
~ -10+ H+I-HI
~ -10+ H+ClO4-HClO4
pK s+ H+BaseSäure
starke Säuren (pKs< 0)
mittelstarke Säuren (0 < pKs< 4)
schwache Säuren (4 < pKs< 10)
sehr schwache Säuren (10 < pKs < 14)
überaus schwache Säuren (pKs > 14)
Der pH-Wert
Näherung mit c(H+) gilt für verdünnte Systeme
)OH(lg)OH(lgpOH
)H(lg)H(lg)H(lgpH−−
+++
−≈−=−≈−=−=
ca
caa
14 7 0
sauer alkalisch
0 7 14pH
pOH
pH-Wert-Berechnung: starke Säure/Base
Starke Säuren liegen vollständig dissoziiert vor
HB + H2O H3O+ + B-
B00BWB0
S0
lg14lgpKpHlg)OH(lgpOH
lg)H(lgpH
CCCc
Cc
+=+=⇒−=−=
−=−=
−
+
Beispiele
• pH-Wert von HCl, 0,01 mol/l:
201,0lglgpH S0 =−=−= C
• pH-Wert von KOH, 0,05 mol/l:
131,0lg14lgpKpH B0W =+=+= C
pH-Wert-Berechnung: schwache Säure/Base
HB + H2O H3O+ + B-
)(H)(BIII
)(B(HB)II
(HB)
)(B)(HI
0
s
+−
−
−+
=
=+
=⋅
cc
Ccc
Kc
cc
Einsetzen von II und III in I:
qpp
xqpxxCKKK
c
CKcKcKcC
c
−±−=⇒=++++−=
=−+⇔=−
+
+++
+
420
42)(H
0)(H)(H)(H
)(H
2
2,12
0s
2ss
0ss2
s0
2Exakte Lösung
pH-Wert-Berechnung: schwache Säure/Base
• Vereinfachung: c(B-) in II wird vernachlässigt:
)lgpK(2
1pHbzw.)(H
)(H
)(H)(BIII
(HB):tVereinfach)(B(HB)II
(HB)
)(B)(HI
0S0s
0s2
00
s
CCKc
CKc
cc
CcCcc
Kc
cc
−==
=
=
==+
=⋅
+
+
+−
−
−+
pH-Wert-Berechnung: schwache Säure/Base
Entsprechend für schwache Basen:
)lgpK(2
114pHbzw.)(H
)(OH
0B
0B
W
0B
CCK
Kc
CKc
−−==
=
+
−
Beispiele
• pH-Wert von Essigsäure, 0,1 mol/l (pKS=4,75):
875,2)1,0lg75,4(2
1)lgpK(
2
1pH 0S =−=−= C
• pH-Wert von NaAc, 0,1 mol/l (pKS(HAc)=4,75 => pKB(Ac-)=9,25):
88,8)1,0lg25,9(2
114)lgpK(
2
114pH 0B =−−=−−= C
8779,2pH;42
)(H 0s
2ss =++−=+ CK
KKc
Puffersysteme
Eine Lösung, einer schwachen Säure/Base und ihrer zugehörigen korrespondierenden Base/Säure wird Puffer genannt. Sie ändert den pH-Wert bei Säure/Basenzugabe nur wenig
Beispiele:– HAc / NaAc
– NH4Cl / NH3
HB + H2O H3O+ + B-
−=
−=
=⇒=⋅
−−
−+
−+
)(B
(HB)lgpK
)(B
(HB)lgpKpH
)(B
(HB))(H
(HB)
)(B)(H
SS
ss
n
n
c
c
c
cKcK
c
cc
Da die Hydrolyse von HB bzw. B- nur in geringem Umfang abläuft kann man c(HB) und c(B-) gleich der Ausgangskonzentration setzen
Beispiele für Puffersysteme
pH = 7,5 ± 1H2CO3 / NaHCO3
Puffersystem des Blutes
pH = 7 ± 1NaH2PO4 / Na2HPO4
pH = 9,25 ± 1NH3 / NH4Cl
pH = 4,75 ± 1HAc / NaAc
PufferbereichSystem
Beispiel
Ein HAc/NaAc Puffer mit dem pH-Wert 5 soll hergestellt werden. Wieviel NaAc muss man dafür zu 100 ml HAc, 0,1 mol/l geben ?
g46,1molg03,82mol01778,0)NaAc()Ac()NaAc(
mol01778,0lmol10
l1,0lmol1,0lmol10
)(H
(HAc))(Ac
)(H
(HAc))(Ac
)(H
(HAc))(B
)(Ac
(HAc)
)(Ac
(HAc))(H
1
15
1175,4
s
s
sss
=⋅=⋅=
=⋅=⋅=
=
=⇒==
−−
−−
−−−
+−
+−
+−
−−+
Mnm
c
VcKn
c
nKn
c
nKn
n
nK
c
cKc
Beispiel
Zu einer Lösung von 100 ml NH4Cl 0,1 mol/l gibt man 5 ml NaOH, 1 mol/l. Welcher pH-Wert stellt sich ein ?
NH4Cl + NaOH NH3 + H2O + NaCl
Nach der Zugabe liegt ein NH4Cl / NH3 Puffersystem vor !
25,9mol005,0
mol 0,005lg25,9
)NH(
)NH(lgpKpH
mol 0,005mol005,0l1,0lmol1,0)NH(
)NH()NH()NH()NH()NH(
mol005,0l005,0lmol1)NaOH()NaOH()NH(
3
4s
14
343404
13
=
−=
−=
=−⋅=
−⋅=−=
=⋅=⋅==
+
−+
+++
−
n
n
n
nVcnnn
Vcnn
Titrationskurve starke Säure/starke Base
Titration von 100 ml HCl, 0,1 mol/l mit NaOH, 0,1 mol/l (Volumenänderung wird nicht berücksichtigt)
HCl + NaOH H2O + NaCl
30,0019999 ml
70 ?100100 ml
40,000199,999,9 ml
20,019090 ml
1,300,0550 50 ml
10, 100 ml
pHC(H3O+) [mol/l]% NeutralisationZusatz NaOH
Titrationskurve starke Säure/starke Base
Quelle: U.R. Kunze, G. Schwedt, Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse, Georg Thieme Verlag
Titrationskurve schwache Säure/starke Base
Start:pH-Wert entspricht dem von Essigsäure (0,1 mol l-1)
50 % Umsatz:Puffersystem liegt vor, weil NaOH mit HAc zu NaAc reagiert !
x Umsatz :
Äquivalenzpunkt (100% Umsatz):
HAc + H2O H3O+ + Ac-
HAc + 0,5 NaOH 0,5 HAc + 0,5 NaAc + 0,5 H2O
HAc + x NaOH 1-x HAc + x NaAc + x H2O
HAc + NaOH NaAc + H2O
Berechnung der Punkte (Annahme konstantes Volumen !)
• Start: (pH-Wert von HAc, 0,1 mol l-1 (pKs=4,75):
88,2)1,0lg75,4(2
1)lgpK(
2
1pH 0S =−=−= C
• 50% Umsatz: (pH-Wert eines Puffers HAc/NaAc, 0,1 mol l-1
Verhältnis 1:1:
75,4lmol05,0
lmol05,0lg75,4
)(Ac
(HAc)lgpKpH
lmol05,0)(Ac;lmol05,0(HAc)
1
1
S
11
=
−=
−=
==
−
−
−
−−−
c
c
cc
Berechnung der Punkte (Annahme konstantes Volumen !)
Allgemein: (x Umsatz)pH Wert eines HAc/NaAc Puffers, Verhältnis 1-x : x
−−=
−=
−=
−
−
x
x
c
c
x
x
c
c
1lg75,4
)(Ac
(HAc)lgpKpH
1
)(Ac
(HAc)
S
Äquivalenzpunkt: (100% Umsatz)pH-Wert einer NaAc-Lösung, 0,1 mol l-1
88,8)1,0lg25,9(2
114)lgpK(
2
114pH
25,975,414pKpKpK
0B
SWB
=−−=−−=
=−=−=
C
Titrationskurve schwache Säure/starke Base
Quelle: U.R. Kunze, G. Schwedt, Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse, Georg Thieme Verlag
Säure-Base Indikatoren
• Indikatoren: Schwache Säuren oder Base, bei denen die „Säureform“ eine andere Farbe als die „Basenform“ hat
HInd + H2O H3O+ + Ind -
• Umschlagspunkt (pH½): c(HInd) = c(Ind-)
)HInd(pK)(Ind
(HInd)lg)HInd(pKpH SS
21 =
−= −c
c
• Umschlagsbereich: Bereich in dem visuell erkennbar ein Umschlag zwischen den Grenzformen erfolgt. (Abhängig vom jeweiligen Indikator)
1)HInd(pKpH S ±=
Säure-Base Indikatoren
Quelle: U.R. Kunze, G. Schwedt, Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse, Georg Thieme Verlag
Beispiel: Methylrot
Umschlagsbereich pH 4,4 – 6,2
COO-
N N N
COO-
N N N
H
COO-
N N N
H
OH-
H+
Beispiel: Phenolphtalein
Im Sauren farblos, im basischen violett, Umschlag pH 8,0 - 10,0Abhängig von Konzentration: (c0 Indikatorkonzentration, c‘Konzentration an Base, bei der diese gerade visuell erkennbar ist)
OH-
H+HO O
O
HO
O COO-
O
O COO-
O
'lglgpKpH
'mit'
'lgpK
)(Ind
(HInd)lg)HInd(pKpH
0S
00
SS
cc
ccc
cc
c
c
+−=
>>−−=
−= −
Stickstoffbestimmung in Nitrat
NO3- - Probe
Mit Zn, NaOH
Stickstoffbestimmung in Nitrat
Probe enthält Nitrat, das bestimmt werden soll.• Reduktion des Nitrats mit „naszierendem Wasserstoff“ in siedender
NaOH• Einleiten des entstehenden NH3 in HCl-Lösung bekannter
Konzentration• Titration der überschüssigen HCl mit NaOH
Zn + 2 H2O Zn(OH)2 + 2 <H>
NaNO3 + 8 <H> + H2O NH3(g) + 3 H2O + Na(OH)
NH3(g) + HCl NH4Cl
NaOH + HCl NaCl + H2O
Beispiel
200 mg einer Probe werden einer Nitratbestimmung unterworfen. In der Vorlage befanden sich 50 ml HCl 0,1 mol l-1. Zu Titration der überschüssigen Salzsäure werden 35 ml NaOH, 0,1 mol l-1 verbraucht.
465,0mg200
mg93
mg93g093,000,62mol0015,0
mol0015,0lmol1,0l035,0lmol1,0l05,0
3
3
333
3
NO
NO
NONONO
11NaOHHCl0,NO
===
==⋅=⋅=
=⋅−⋅=−=
−
−
−−−
−−−
m
mw
Mnm
nnn
