Säuren und Basen - Chemie
Säuren und Basen - Chemie
Einleitung
Säuren und Basen begegnen Dir im Alltag: Zitronensaft schmeckt sauer, Seifenlösungen reagieren meist basisch und reines Wasser ist ungefähr neutral. In diesem aiMOOC lernst Du, wie Säuren und Basen nach Brønsted beschrieben werden, wie der pH-Wert funktioniert und was bei einer Neutralisation geschieht. Du übst außerdem den sicheren Umgang mit Chemikalien und deutest einfache Experimente.
Grundbegriffe und Sicherheit
Säuren, Basen und Lösungen
Eine Säure kann Protonen abgeben. Eine Base kann Protonen aufnehmen. Erst beim Lösen oder Reagieren mit Wasser entstehen häufig die Teilchen, die eine Lösung sauer oder basisch machen.
- Saure Lösung: Sie enthält mehr Oxonium-Ionen als reines Wasser.
- Basische oder alkalische Lösung: Sie enthält mehr Hydroxid-Ionen als reines Wasser.
- Lauge: So nennt man eine wässrige Lösung einer Base.
- Neutrale Lösung: Oxonium- und Hydroxid-Ionen liegen in gleich großen Konzentrationen vor.
Sicher arbeiten
Konzentrierte Säuren und Laugen können stark ätzend sein. Trage im Labor Schutzbrille und geeignete Schutzkleidung. Führe Versuche nur nach Anweisung durch. Probiere Chemikalien niemals und mische keine Haushaltsreiniger. Beim Verdünnen gilt: Erst das Wasser, dann die Säure, damit die frei werdende Wärme kontrollierbarer verteilt wird.
Das Säure-Base-Konzept nach Brønsted
Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor. Eine Säure-Base-Reaktion ist deshalb eine Protonenübertragung und heißt auch Protolyse.[1]
Beispiel: Chlorwasserstoff und Wasser
Chlorwasserstoff gibt ein Proton an ein Wassermolekül ab:
Dabei ist die Säure und die Base. Es entstehen ein Oxoniumion und ein Chlorid-Ion. Freie Protonen kommen in Wasser praktisch nicht isoliert vor; sie sind an Wassermoleküle gebunden.
Korrespondierende Säure-Base-Paare
Gibt eine Säure ein Proton ab, entsteht ihre korrespondierende Base. Nimmt eine Base ein Proton auf, entsteht ihre korrespondierende Säure.
Im Beispiel bilden und jeweils ein korrespondierendes Paar.
Ampholyte
Ein Ampholyt kann je nach Reaktionspartner als Säure oder als Base reagieren. Wasser ist ein wichtiges Beispiel: Gegenüber Chlorwasserstoff nimmt es ein Proton auf, gegenüber Ammoniak kann es ein Proton abgeben.
Der pH-Wert
Der pH-Wert beschreibt den sauren oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung. Für verdünnte Lösungen wird in der Schule häufig näherungsweise gerechnet:[2]
Die Skala ist logarithmisch. Eine Änderung um eine pH-Einheit entspricht näherungsweise einer Verzehnfachung der Oxoniumionen-Konzentration.
Diese Einteilung gilt für verdünnte wässrige Lösungen bei üblichen Schulbedingungen. Bei 25 °C gilt außerdem näherungsweise:
pH-Wert bestimmen
Mit Universalindikatorpapier erhältst Du einen ungefähren Wert durch Farbvergleich. Ein pH-Meter misst genauer über eine elektrochemische Messkette.
Indikatoren
Indikatoren sind Farbstoffe, deren Farbe vom pH-Bereich abhängt. Sie zeigen nicht automatisch einen exakten pH-Wert, sondern meist einen Umschlagsbereich.
Bromthymolblau ist in saurer Lösung gelb, im neutralen Bereich grün und in basischer Lösung blau.
Rotkohlsaft enthält Anthocyane und kann als natürlicher Indikator dienen. Je nach pH-Wert entstehen unterschiedliche Farben.
Säure- und Basenstärke
Stärke und Konzentration bedeuten nicht dasselbe. Die Stärke beschreibt, wie weit eine Säure Protonen abgibt beziehungsweise eine Base Protonen aufnimmt. Die Konzentration beschreibt, wie viel Stoff in einem bestimmten Lösungsvolumen enthalten ist.
- Starke Säure: reagiert in Wasser weitgehend unter Protonenabgabe, zum Beispiel Chlorwasserstoff.
- Schwache Säure: reagiert nur teilweise, zum Beispiel Essigsäure.
- Starke Base: nimmt Protonen besonders bereitwillig auf; Hydroxide wie Natriumhydroxid bilden in Wasser viele Hydroxid-Ionen.
- Verdünnung: senkt die Konzentration, verändert aber nicht die grundsätzliche Einordnung eines Stoffes als starke oder schwache Säure beziehungsweise Base.
Neutralisation
Bei einer Neutralisation reagieren Säure und Base miteinander. Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen bilden Wasser:[3]
Bei der Reaktion von Salzsäure mit Natronlauge bleiben außerdem Natrium- und Chlorid-Ionen in der Lösung. Nach dem Eindampfen kann Natriumchlorid zurückbleiben.
Neutralisationen sind exotherm und können Wärme freisetzen. Der Äquivalenzpunkt liegt vor, wenn Säure und Base im passenden Stoffmengenverhältnis umgesetzt wurden. Er muss nicht bei jeder Kombination genau dem pH-Wert 7 entsprechen.
Säure-Base-Titration
Eine Säure-Base-Titration dient dazu, die unbekannte Konzentration einer Säure oder Base zu bestimmen. Eine Maßlösung bekannter Konzentration wird kontrolliert zugegeben. Ein Indikator oder pH-Meter zeigt den Endpunkt an. Aus Volumen, Konzentration und Reaktionsgleichung lässt sich die gesuchte Konzentration berechnen.
Anwendungen im Alltag und in der Umwelt
Säure-Base-Reaktionen sind in vielen Bereichen wichtig. Magensäure unterstützt die Verdauung, Böden besitzen unterschiedliche pH-Werte, Schwimmbadwasser wird kontrolliert und in Lebensmitteln beeinflussen Säuren Geschmack und Haltbarkeit. Puffersysteme begrenzen pH-Änderungen, indem sie zugegebene Säuren oder Basen teilweise abfangen.
Wichtig ist die sachliche Beurteilung: Ein Stoff ist nicht allein deshalb gefährlich, weil er sauer oder basisch ist. Entscheidend sind unter anderem Stoffart, Konzentration, Menge, Einwirkungsdauer und Schutzmaßnahmen.
Zusammenfassung
- Eine Brønsted-Säure gibt Protonen ab, eine Brønsted-Base nimmt Protonen auf.
- Saure Lösungen enthalten vergleichsweise viele Oxonium-Ionen, basische Lösungen vergleichsweise viele Hydroxid-Ionen.
- Der pH-Wert ist logarithmisch und beschreibt den sauren oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung.
- Indikatoren zeigen pH-Bereiche durch Farbänderungen an.
- Bei der Neutralisation reagieren Oxonium- und Hydroxid-Ionen zu Wasser.
- Mit einer Titration kann eine unbekannte Konzentration bestimmt werden.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist eine Säure nach Brønsted? (Ein Protonendonator) (!Ein Elektronendonator) (!Ein Hydroxidion) (!Ein Salz)
Was ist eine Base nach Brønsted? (Ein Protonenakzeptor) (!Ein Protonendonator) (!Ein Oxoniumion) (!Ein Indikator)
Welches Ion kennzeichnet eine saure wässrige Lösung? (Das Oxoniumion) (!Das Natriumion) (!Das Chloridion) (!Das Hydroxidion)
Welcher pH-Bereich ist unter üblichen Schulbedingungen sauer? (Ein pH-Wert kleiner als 7) (!Ein pH-Wert genau 7) (!Ein pH-Wert größer als 7) (!Jeder pH-Wert über 14)
Welche Teilchen reagieren bei der Neutralisation direkt zu Wasser? (Oxoniumionen und Hydroxidionen) (!Natriumionen und Chloridionen) (!Säurereste und Indikatoren) (!Elektronen und Neutronen)
Wozu dient ein Säure-Base-Indikator? (Zur Anzeige eines pH-Bereichs durch Farbänderung) (!Zur Erhöhung der Stoffmenge) (!Zur Herstellung von Protonen) (!Zur Kühlung einer Lösung)
Welche Aussage zu Stärke und Konzentration ist richtig? (Säurestärke und Konzentration sind verschiedene Eigenschaften) (!Jede konzentrierte Säure ist automatisch stark) (!Jede verdünnte Säure ist automatisch schwach) (!Die Konzentration hat keine Einheit)
Welches Paar ist ein korrespondierendes Säure-Base-Paar? (HCl und Cl−) (!HCl und NaOH) (!Na+ und H2O) (!Cl− und OH−)
Was wird mit einer Titration häufig bestimmt? (Die unbekannte Konzentration einer Lösung) (!Die Masse eines Elektrons) (!Die Farbe eines Elements) (!Die Anzahl der Neutronen)
Welche Sicherheitsregel ist richtig? (Schutzbrille tragen und Anweisungen beachten) (!Chemikalien durch Probieren bestimmen) (!Haushaltsreiniger beliebig mischen) (!Konzentrierte Säure rasch in wenig Wasser gießen)
Memory
| Säure | Protonendonator |
| Base | Protonenakzeptor |
| Oxoniumion | H3O+ |
| Hydroxidion | OH− |
| Neutralisation | Bildung von Wasser |
| Indikator | Farbwechsel |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Protonendonator | Säure |
| Protonenakzeptor | Base |
| Oxoniumionenüberschuss | Saure Lösung |
| Hydroxidionenüberschuss | Basische Lösung |
| Ausgeglichener Ionenanteil | Neutrale Lösung |
Kreuzworträtsel
| Protonendonator | Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton abgibt? |
| Protonenakzeptor | Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt? |
| Oxoniumion | Welches Ion hat die Formel H3O+? |
| Hydroxidion | Welches Ion hat die Formel OH−? |
| Indikator | Welcher Stoff zeigt einen pH-Bereich durch Farbwechsel an? |
| Neutralisation | Wie heißt die Reaktion von Säure und Base? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Alltagsprodukte ordnen: Sammle Bilder oder Verpackungen von sechs Produkten und vermute begründet, ob sie sauer, neutral oder basisch reagieren.
- Indikator-Farbkarte: Gestalte eine Farbkarte für Universalindikator oder Rotkohlsaft und beschrifte saure, neutrale und basische Bereiche.
- Sicherheitsplakat: Entwirf ein Plakat mit fünf Regeln für das Arbeiten mit Säuren und Laugen.
- Begriffsnetz erstellen: Verbinde Säure, Base, Proton, Oxoniumion, Hydroxidion, pH-Wert und Neutralisation in einer Concept-Map.
Standard
- Rotkohlversuch planen: Plane mit einer Lehrkraft einen Versuch mit ungefährlichen Haushaltsproben. Formuliere Fragestellung, Material, Durchführung und Entsorgung.
- Teilchencomic: Zeichne einen Comic zur Protonenübertragung zwischen Chlorwasserstoff und Wasser.
- Temperaturverlauf auswerten: Werte bereitgestellte Messdaten einer Neutralisation aus und erkläre den Temperaturanstieg.
- Messmethoden vergleichen: Vergleiche Indikatorpapier und pH-Meter hinsichtlich Genauigkeit, Aufwand und Einsatzbereich.
Schwer
- Titration modellieren: Erkläre anhand einer Titrationskurve Anfangsbereich, steilen Anstieg und Äquivalenzpunkt.
- Stärke und Konzentration: Entwickle zwei Fallbeispiele, die zeigen, warum eine verdünnte starke Säure und eine konzentrierte schwache Säure unterschieden werden müssen.
- Puffersystem recherchieren: Untersuche ein Puffersystem aus Biologie, Umwelt oder Technik und stelle seine Funktion in einem Kurzvortrag dar.
- Lokale Untersuchung: Entwickle eine sichere Untersuchung zu Boden- oder Gewässer-pH, dokumentiere Messunsicherheiten und diskutiere mögliche Ursachen.
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Lernkontrolle
- Teilchenmodell erklären: Erkläre mit einer Skizze, warum Chlorwasserstoff erst durch die Reaktion mit Wasser eine saure Lösung bildet.
- Logarithmische Skala übertragen: Zwei Lösungen unterscheiden sich um drei pH-Einheiten. Erkläre qualitativ, was das für ihre Oxoniumionen-Konzentrationen bedeutet.
- Reaktionsweg beurteilen: Vergleiche die Stoffebene, Teilchenebene und Symbolebene einer Neutralisation.
- Messmethode auswählen: Entscheide für drei verschiedene Untersuchungssituationen, ob Rotkohlsaft, Universalindikatorpapier oder pH-Meter geeignet ist, und begründe.
- Fehleranalyse: Eine Gruppe überschreitet bei einer Titration den Farbumschlag deutlich. Erkläre die Auswirkung auf das Ergebnis und schlage Verbesserungen vor.
- Risiko bewerten: Beurteile eine Versuchsanleitung, in der Schutzbrille, Konzentrationsangaben und Entsorgung fehlen, und formuliere eine sichere Überarbeitung.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- Säuren und Basen nach Brønsted definieren kannst.
- Protonenübertragungen und korrespondierende Säure-Base-Paare erkennst.
- pH-Werte qualitativ deutest und die logarithmische Skala berücksichtigst.
- Indikatorfarben und Messmethoden sinnvoll auswertest.
- Neutralisationen auf Stoff-, Teilchen- und Symbolebene erklärst.
- Stärke und Konzentration sicher unterscheidest.
- Aufbau und Zweck einer Säure-Base-Titration beschreibst.
- Sicherheitsregeln begründet anwendest.
Einzelnachweise
OERs zum Thema
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