5 Die Stärke von Säuren und Basen

5.1 Starke, schwache und sehr schwache Säuren


Versuch Die pH-Werte drei verschiedener wässriger Lösungen gleicher Konzentration werden mit einem kalibriertem pH-Meter oder gegebenenfalls Indikatorpapier bestimmt.
Lösung c pH
(i) Salzsäure 0,1 mol · L−1
(ii) Ethansäure 0,1 mol · L−1
(iii) Ethanol 0,1 mol · L−1
Der pH-Wert der Salzsäure-Lösung ist _________ als der der Ethansäure-Lösung. Der pH-Wert der Ethanol-Lösung ist _________.

Erklärungen
(i) Der pH-Wert entspricht einer Oxonium-Ionen-Konzentration von ungefähr 0,1 mol/L also der Ausgangskonzentration der Salzsäure.
 HCl(aq)   +   H2O(l)   →   H3O+(aq)   +   Cl(aq) 
c0  0,1 mol · L−1 10−7 mol · L−1 ≈ 0* 0 mol · L−1
x +x +x
c  0,1 mol · L−1
* Die Ausgangskonzentration der Oxonium-Ionen von 10−7 mol/L ist so gering, dass sie für die Berechnungen in Anbetracht der viel höheren Konzentration am Ende mit 0 gleichgesetzt werden kann.
Die Auswertung ergibt für x 0,1 mol/L. Folglich ist die Protolyse vollständig. Alle HCl-Moleküle haben mit Wasser zu H3O+-Ionen (der stärksten im Wasser möglichen Säure, nivellierender Effekt des Wassers) und einem Rest-Ion reagiert.

Säuren die mit Wasser eine vollständige Protolyse eingehen werden als starke Säuren bezeichnet.


(ii) Der pH-Wert entspricht einer Oxonium-Ionen-Konzentration von ungefähr 0,001 mol/L. Diese ist viel geringer als jene der Essigsäure.
CH3COOH(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CH3COO(aq)
c0 0,1 mol·L−1 10−7 mol·L−1 ≈ 0* 0 mol·L−1
x +x +x
c 0,001 mol·L−1
* Auch für die Essigsäure gilt, dass die Ausgangskonzentration der Oxonium-Ionen von 10−7 mol/L für die Berechnungen in Anbetracht der viel höheren Konzentration am Ende mit 0 gleichgesetzt werden kann.
Die Auswertung ergibt für x ungefähr 0,001 mol·L−1. Folglich ist die Protolyse unvollständig. Nur ein Teil, etwa ein Hundertstel der Essigsäure-Moleküle, sind zu Acetat umgesetzt.

Säuren die mit Wasser eine unvollständige Protolyse eingehen, bei der sich ein Gleichgewicht einstellt, werden als schwache Säuren bezeichnet.


(iii) Der pH-Wert entspricht einer Oxonium-Ionen-Konzentration von 10−7 mol/L und damit der Konzentration in reinem Wasser.
CH3CH2OH(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CH3CH2O(aq)
c0 0,1 mol·L−1 10−7 mol·L−1 * 0 mol·L−1
x +x +x
c 10−7 mol·L−1
* Die Ausgangskonzentration kann nicht vernachlässigt werden.
Die Konzentration an Oxonium-Ionen bleibt unverändert. Es findet keine Protolyse statt. Alkohol reagiert nicht als Säure mit Wasser.

Säuren, die mit Wasser keine Protolyse eingehen, werden als sehr schwache Säuren bezeichnet. Diese Stoffe werden in wässriger Lösung nicht als Säuren betrachtet.


5.2 Starke, schwache und sehr schwache Basen

Die Definitionen von starken, schwachen und sehr schwachen Basen beruhen auf der Protolyse mit Wasser analog zu denen der Säuren.
Sehr schwache Base
Eine starke Säure wie Salzsäure HCl(aq) protolysiert vollständig in Wasser, die korrespondierende Base Cl(aq) ist eine sehr schwache Base, welche keine Reaktion mit Wasser eingeht.
Schwache Base
Eine schwache Säure wie Essigsäure CH3COOH(aq) protolysiert teilweise in Wasser, die korrespondierende Base CH3COO(aq) ist eine schwache Base. Ein Salz dieser Base geht nur teilweise eine Reaktion mit Wasser ein.
Starke Base
Eine sehr schwache Säure wie Ethanol CH3CH2OH(aq) geht keine Reaktion mit Wasser ein, die korrespondierende Base CH3CH2O(aq) ist eine sehr starke Base, welche eine vollständige Reaktion mit Wasser eingeht.

Protolyse mit
Wasser

korrespondierendes
Säure-Base-Paar
Säure Base
Protolyse mit
Wasser

vollständig stark
Gleichgewicht schwach
keine sehr schwach
sehr schwach keine
schwach Gleichgewicht
stark vollständig

5.3 Die Säurekonstante von schwachen Säuren

Gleichung der Protolyse einer schwachen Säure HA in Wasser:
HA(aq)  +  H2O(l)  ⇌  H3O+(aq)  +   A(aq)

KS ist die Gleichgewichtskonstante für die Protolyse einer schwachen Säure mit Wasser und hängt ausschließlich von der Temperatur und der betrachteten Säure ab. Sie ist ein Maß für die Stärke der Säure. Im Gleichgewicht entspricht sie dem Ausdruck:

KS = 

 c(H3O+) · c(A

 c(HA) 


Analog zum pH-Wert wird der pKS-Wert definiert:

pKS = -log(

 KS 

 mol·L−1 

)         ⇔         KS = 10−pKS mol·L−1

Aufgaben
1. Geben Sie die Gleichung der Protolyse der schwachen Säure BH+ an. Stellen Sie den Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K auf. Erklären Sie, wie man von K ausgehend, den Ausdruck für die Säurekonstante KS aufstellen kann.







2. Ordnen Sie folgende Säuren nach steigender Säurestärke: Ameisensäure (pKS = 3,75); Blausäure (pKS = 9,40); Flusssäure (KS = 7,24·10−4 mol/L); Essigsäure (KS = 1,87·10−5 mol/L). 








5.4 Die Basekonstante von schwachen Basen

Allgemein gilt für eine schwache Base B:
B(aq)  +  H2O(l)  ⇌  BH+(aq)  +  OH(aq)
KB ist die Gleichgewichtskonstante für die Protolyse einer schwachen Base mit Wasser und hängt ausschließlich von der Temperatur und der betrachteten Base ab. Sie ist ein Maß für die Stärke der Base. Im Gleichgewicht entspricht sie dem Ausdruck:
KB =

 c(BH+) · c(OH

 c(B) 


Der pKB-Wert ist definiert als:
pKB = -log(

 KB 

 mol·L−1 

)         ⇔         KB = 10−pKB mol·L−1
Stärkere Basen haben einen geringeren pKB-Wert als schwächere Basen.

Aufgaben
1. Geben Sie die Gleichung der Protolyse der schwachen Base B an. Stellen Sie den Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K auf. Erklären Sie, wie man von K ausgehend, den Ausdruck für die Basekonstante KB aufstellen kann.







2. Ordnen Sie folgende Basen nach absteigender Basenstärke: Anilin (pKB = 9,42); Fluorid (pKB = 10,83); Acetat (KB = 5,6·10−10 mol/L); Sulfat (KB = 8,3·10−13 mol/L). 







2.3.6 Beziehung zwischen pKS und pKB

Die Säure- und Basenstärke eines korrespondierendes Säure-Base Paares sind voneinander abhängig. Je stärker die Säure umso schwächer ist die korrespondierende Base. Es gibt also eine Beziehung zwischen KS und KB.

 HA 

 + 

 H2

 ⇌ 

 H3O+ 

 + 

 A 

    KS =

 c(H3O+) · c(A

 c(HA) 

 A 

 + 

 H2

 ⇌ 

 HA 

 + 

 OH 

     KB =

 c(HA) · c(OH

 c(A)

KS · KB =

 c(H3O+) · c(A) 

 c(HA) 

·

 c(HA) · c(OH

 c(A) 

= c(H3O+) · c(OH) = Kw
KS · KB = Kw
pKS + pKB = pKW

Ausschließlich für korrespondierende Säuren und Basen gilt
pKS + pKB = pKW
Stärkere Säuren haben schwächere korrespondierende Basen.


Aufgabe
Butansäure oder Buttersäure, CH3CH2CH2COOH, ist eine farblose, sehr bewegliche und wasserlösliche Flüssigkeit. Sie ist verantwortlich für den unangenehmen Geruch von Erbrochenem oder ranziger Butter. Ihr pKS-Wert beträgt 4,82. Geben Sie die Formel der korrespondierenden Base an und berechnen Sie ihre Basekonstante. 










pKS

Säure

korrespondierende Base

pKB

starke Säuren,
vollständige Protolyse

sehr schwache Basen,
keine Protolyse

H3O+

H2O

schwache Säuren,
unvollständige Protolyse,
Bildung eines Gleichgewichts

Je kleiner pKS desto
- stärker die Säure
- schwächer die korrespondierende Base
- größer pKB

schwache Basen,
unvollständige Protolyse,
Bildung eines Gleichgewichts

Je kleiner pKB desto
- stärker die Base
- schwächer die korrespondierende Säure
- größer pKS

H2O

OH

sehr schwache Säuren,
keine Protolyse

starke Basen,
vollständige Protolyse

Aufgaben
1. Welche Teilchen liegen in den folgenden wässrigen Lösungen vor? Geben Sie jedesmal die Protolyse-, bzw. Lösungsgleichung an. 
a) Salzsäurelösung













b) Essigsäure












c) Formiat-Ion












d) Natronlauge












e) Ammoniaklösung













f) Calciumoxid













2. Eine Propansäurelösung hat einen pH-Wert von 2,59, die Ausgangskonzentration beträgt c0(CH3CH2COOH(aq)) = 0,50 mol/L. Geben Sie die Protolysegleichung an und berechnen Sie KS und pKS    















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