Starke und schwache Basen - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 5-6, G-Niveau

Einleitung

Starke und schwache Basen - Chemie erklärt, warum Basen unterschiedlich stark mit Wasser reagieren. Du lernst, wie Basen nach Brønsted definiert werden, wie sich starke und schwache Basen im Teilchenmodell unterscheiden und wie Du ihre Stärke mit der Basenkonstante $K_{\mathrm{b}}$ und dem $p{K}_{\mathrm{b}}$-Wert beschreibst.

Eine Base ist nach Brønsted ein Protonenakzeptor. Sie nimmt also ein Proton ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$ auf. In Wasser entstehen dabei häufig Hydroxid-Ionen $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$. Je weiter die Reaktion auf der Seite der Produkte liegt, desto stärker ist die Base.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

1. Brønsted-Base: Basen als Protonenakzeptoren erklären.
2. Basenstärke: starke und schwache Basen anhand der Gleichgewichtslage unterscheiden.
3. Basenkonstante: $K_{\mathrm{b}}$ und $p{K}_{\mathrm{b}}$ deuten.
4. pH-Wert: einfache pH-Berechnungen für starke und schwache Basen durchführen.
5. Korrespondierendes Säure-Base-Paar: Base und korrespondierende Säure zuordnen.
6. Titration: typische Kurven starker und schwacher Basen vergleichen.

Basen nach Brønsted

Eine Brønsted-Base nimmt ein Proton auf. Für eine allgemeine Base $\mathrm{B}$ gilt in Wasser:

$\mathrm{B}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{B}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Dabei ist $\mathrm{B}$ die Base und $\mathrm{B}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$ ihre korrespondierende Säure. Wasser gibt ein Proton ab und wirkt deshalb in dieser Reaktion als Säure.

Beispiel Ammoniak

Ammoniak $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ besitzt am Stickstoff ein freies Elektronenpaar. Damit kann das Molekül ein Proton aufnehmen:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Nur ein Teil der Ammoniakmoleküle reagiert. Deshalb ist Ammoniak in Wasser eine schwache Base.

Starke Basen

Eine starke Base reagiert in Wasser nahezu vollständig beziehungsweise liefert praktisch vollständig basisch wirksame Teilchen. Bei Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid entstehen durch Dissoziation Hydroxid-Ionen:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

$\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{\to }{\mathrm{K}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Die eigentliche Brønsted-Base ist hier das Hydroxid-Ion. Es kann ein Proton aufnehmen und Wasser bilden:

$\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Typische Beispiele sind Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid. Calciumhydroxid ist ebenfalls eine starke Base, aber nur begrenzt löslich. Basenstärke und Löslichkeit sind daher nicht dasselbe.

Schwache Basen

Eine schwache Base nimmt in Wasser nur teilweise Protonen auf. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Neben Ammoniak sind zum Beispiel das Acetat-Ion $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{\mathrm{-}}$ und das Carbonat-Ion $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$ schwache Basen.

Für Ammoniak liegt das Gleichgewicht überwiegend auf der Seite von $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$. Trotzdem entstehen genügend Hydroxid-Ionen, damit die Lösung alkalisch reagiert.

Merksatz: Stark bedeutet weitgehende Reaktion mit Wasser. Schwach bedeutet Gleichgewicht mit großem Anteil nicht umgesetzter Base.

Basenstärke mit Kb und pKb

Für die Reaktion

$\mathrm{B}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{B}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

gilt die Basenkonstante:

$K_{\mathrm{b}}=\frac{c(\mathrm{B}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}})\cdot c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})}{c(\mathrm{B})}$

Der $p{K}_{\mathrm{b}}$-Wert ist definiert als:

$p{K}_{\mathrm{b}}=-\lg (K_{\mathrm{b}})$

Ein großes $K_{\mathrm{b}}$ bedeutet eine starke Base. Da der Logarithmus mit einem Minuszeichen verwendet wird, gilt:

Je kleiner der $p{K}_{\mathrm{b}}$-Wert, desto stärker die Base.

Für ein korrespondierendes Säure-Base-Paar gilt bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ näherungsweise:

$p{K}_{\mathrm{s}}(\mathrm{B}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}})+p{K}_{\mathrm{b}}(\mathrm{B})=14$

Ammoniak besitzt bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ ungefähr $K_{\mathrm{b}}=\mathrm{1,8}\cdot 10^{-5}$ und $p{K}_{\mathrm{b}}=\mathrm{4,75}$.

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Stärke und Konzentration unterscheiden

Stärke beschreibt, wie weit eine Base mit Wasser reagiert. Konzentration beschreibt, wie viel Base in einem bestimmten Lösungsvolumen enthalten ist.

Eine verdünnte starke Base kann deshalb einen niedrigeren pH-Wert haben als eine konzentrierte schwache Base. Aus dem pH-Wert allein lässt sich die Basenstärke nur beurteilen, wenn auch die Konzentration bekannt ist.

Vergleich	Starke Base	Schwache Base
Reaktion mit Wasser	nahezu vollständig	nur teilweise
Reaktionspfeil im Schulmodell	häufig einfacher Pfeil	Gleichgewichtspfeil
$K_{\mathrm{b}}$	größer	kleiner
$p{K}_{\mathrm{b}}$	kleiner	größer
Beispiel	Hydroxid-Ion aus Natriumhydroxid	Ammoniak

pH-Wert basischer Lösungen

Für wässrige Lösungen gilt bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ näherungsweise:

$pOH=-\lg (c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}))$

$pH+pOH=14$

Starke Base berechnen

Beispiel: Eine Natronlauge hat die Konzentration $c_0=\mathrm{0,010}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$. Natriumhydroxid liefert pro Formeleinheit ein Hydroxid-Ion.

$c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})=\mathrm{0,010}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$

$pOH=-\lg (\mathrm{0,010})=2$

$pH=14-2=12$

Diese Rechnung setzt eine ausreichend verdünnte Lösung und vollständige Dissoziation voraus.

Schwache Base berechnen

Für eine schwache Base mit Anfangskonzentration $c_0$ kann bei geringer Umsetzung näherungsweise gelten:

$c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})\approx \sqrt{K_{\mathrm{b}}\cdot c_0}$

Beispiel: Für $\mathrm{0,10}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$ Ammoniak mit $K_{\mathrm{b}}=\mathrm{1,8}\cdot 10^{-5}$ ergibt sich:

$c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})\approx \sqrt{\mathrm{1,8}\cdot 10^{-5}\cdot \mathrm{0,10}}=\mathrm{1,34}\cdot 10^{-3}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$

$pOH\approx \mathrm{2,87}$

$pH\approx \mathrm{11,13}$

Die Näherung muss überprüft werden. Ist der umgesetzte Anteil nicht klein, wird die Gleichung ohne Vereinfachung gelöst.

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Indikatoren und Messung

Indikatoren ändern ihre Farbe in einem bestimmten pH-Bereich. Universalindikator und pH-Papier zeigen grob, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Ein pH-Meter liefert genauere Werte.

Ein Indikator zeigt den pH-Wert, aber nicht direkt die Basenstärke. Für einen sinnvollen Vergleich müssen Konzentration, Temperatur und Messbedingungen beachtet werden.

Korrespondierende Säure-Base-Paare

Nimmt eine Base ein Proton auf, entsteht ihre korrespondierende Säure. Die beiden Teilchen unterscheiden sich um genau ein Proton.

Base	Korrespondierende Säure
$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$	$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$
$\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$	${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$
$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$	$\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{-}}$
$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{\mathrm{-}}$	$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Eine starke Base besitzt eine sehr schwache korrespondierende Säure. Umgekehrt gehört zu einer starken Säure eine sehr schwache korrespondierende Base.

Titration starker und schwacher Basen

Bei einer Titration wird eine Base mit einer Säure bekannter Konzentration umgesetzt. Aus der Titrationskurve lassen sich Unterschiede erkennen.

Bei der Titration einer starken Base mit einer starken Säure liegt der Äquivalenzpunkt bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ ungefähr bei pH 7. Bei einer schwachen Base mit einer starken Säure liegt der Äquivalenzpunkt unter pH 7, weil die entstandene korrespondierende Säure mit Wasser reagiert.

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Sicherheit im Chemieunterricht

Starke Laugen können Haut und Augen schwer schädigen. Arbeite nur nach Anweisung der Lehrkraft, trage Schutzbrille und geeignete Schutzkleidung und verwende nie den Geschmack als Stoffprobe. Beim Lösen fester Hydroxide kann viel Wärme entstehen. Feststoffe werden deshalb portionsweise unter Rühren in Wasser gegeben.

Bei Haut- oder Augenkontakt gilt der schulische Notfallplan. Betroffene Stellen werden sofort lange mit viel Wasser gespült und die Lehrkraft wird unverzüglich informiert.

Experimenteller Vergleich

Ein schulischer Vergleich kann mit Lösungen gleicher Anfangskonzentration erfolgen. Gemessen werden pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit. Eine starke Base liefert bei gleicher formaler Konzentration meist mehr frei bewegliche Ionen als eine schwache Base. Die Auswertung muss jedoch auch Ionenbeweglichkeit, Temperatur und Messgenauigkeit berücksichtigen.

Geeignete Forschungsfrage: Wie unterscheiden sich Natronlauge und Ammoniaklösung gleicher Stoffmengenkonzentration hinsichtlich pH-Wert und Leitfähigkeit?

Der Versuch darf nur mit geeigneter Schutzausrüstung und unter Aufsicht durchgeführt werden.

Zusammenfassung

1. Base: Eine Brønsted-Base nimmt Protonen auf.
2. Starke Base: Die Reaktion oder Ionisierung in Wasser verläuft nahezu vollständig.
3. Schwache Base: Es stellt sich ein Gleichgewicht mit großem Anteil nicht umgesetzter Base ein.
4. Basenkonstante: Ein großes $K_{\mathrm{b}}$ kennzeichnet eine stärkere Base.
5. pKb-Wert: Ein kleiner $p{K}_{\mathrm{b}}$-Wert kennzeichnet eine stärkere Base.
6. Konzentration: Sie ist von der Basenstärke zu unterscheiden.
7. pH-Wert: Er hängt von Basenstärke, Konzentration und Temperatur ab.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Brønsted-Base? (Ein Protonenakzeptor) (!Ein Elektronendonator) (!Ein Neutronenakzeptor) (!Ein Stoff mit immer neutralem pH-Wert)

Woran erkennst Du im Schulmodell eine schwache Base? (An einer nur teilweisen Reaktion mit Wasser) (!An einer immer festen Konsistenz) (!An einer roten Farbe) (!An einer vollständigen Neutralität)

Welche Gleichung beschreibt Ammoniak in Wasser? (NH3 plus H2O im Gleichgewicht mit NH4 plus und OH minus) (!NH3 zerfällt vollständig in N und H) (!NH3 plus OH minus ergibt H2) (!NH3 reagiert nie mit Wasser)

Wie verändert sich die Basenstärke bei kleiner werdendem pKb-Wert? (Sie nimmt zu) (!Sie nimmt ab) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird bedeutungslos)

Welche Aussage zu Stärke und Konzentration ist richtig? (Sie beschreiben unterschiedliche Eigenschaften) (!Sie bedeuten immer dasselbe) (!Nur starke Basen können verdünnt sein) (!Schwache Basen sind immer konzentriert)

Welches Teilchen liefert Natriumhydroxid in Wasser als wirksame Base? (Das Hydroxid-Ion) (!Das Natriumatom) (!Das Sauerstoffmolekül) (!Das Chlorid-Ion)

Welche Beziehung gilt bei 25 Grad Celsius näherungsweise? (pH plus pOH ergibt 14) (!pH plus pOH ergibt 7) (!pH mal pOH ergibt 14) (!pH minus pOH ergibt immer 0)

Welcher Reaktionspfeil passt zu einer schwachen Base? (Ein Gleichgewichtspfeil) (!Nur ein Pfeil nach links) (!Ein Blitzpfeil) (!Gar kein Reaktionszeichen)

Was ist die korrespondierende Säure von Ammoniak? (Das Ammonium-Ion) (!Das Hydroxid-Ion) (!Das Chlorid-Ion) (!Das Nitrat-Ion)

Wo liegt der Äquivalenzpunkt bei der Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure? (Im sauren Bereich) (!Immer genau bei pH 14) (!Im stark basischen Bereich) (!Außerhalb jeder pH-Skala)

Memory

Protonenakzeptor	Brønsted-Base
Natriumhydroxid	starke Base
Ammoniak	schwache Base
Basenkonstante	Kb
pKb-Wert	negativer dekadischer Logarithmus
Ammoniumion	korrespondierende Säure des Ammoniaks

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
vollständige Ionisierung	starke Base
Gleichgewichtsreaktion	schwache Base
kleiner pKb-Wert	größere Basenstärke
Ammonium-Ion	korrespondierende Säure
Hydroxid-Ion	Protonenakzeptor

...

Kreuzworträtsel

Protonenakzeptor	Wie nennt man ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt?
Ammoniak	Welche molekulare Base reagiert nur teilweise mit Wasser?
Hydroxidion	Welches Teilchen macht viele Lösungen alkalisch?
Basenkonstante	Welche Gleichgewichtskonstante beschreibt die Stärke einer Base?
Ammonium	Wie heißt die korrespondierende Säure von Ammoniak ohne Ladungszeichen?
Gleichgewicht	Welcher Zustand stellt sich bei der Reaktion einer schwachen Base ein?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Brønsted-Base ist ein . Eine starke Base reagiert in Wasser nahezu . Eine schwache Base bildet mit Wasser ein chemisches . Ammoniak nimmt ein Proton auf und bildet das . Bei der Reaktion einer Base mit Wasser entstehen häufig . Ein großes Kb kennzeichnet eine Base. Ein kleiner pKb-Wert bedeutet eine Basenstärke. Stärke und dürfen nicht verwechselt werden. Bei 25 Grad Celsius ergänzen sich pH und pOH zu . Der Äquivalenzpunkt einer schwachen Base mit einer starken Säure liegt im Bereich.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffsnetz: Gestalte ein Begriffsnetz mit Base, Proton, Hydroxid-Ion, starker Base, schwacher Base und Gleichgewicht.
2. Teilchenmodell: Zeichne je ein Teilchenbild für eine starke und eine schwache Base in Wasser.
3. Erklärkarte: Formuliere auf einer Karte den Unterschied zwischen Basenstärke und Konzentration.
4. Säure-Base-Paar: Ordne für Ammoniak, Hydroxid-Ion und Carbonat-Ion jeweils die korrespondierende Säure zu.

Standard

1. Messdaten auswerten: Vergleiche vorgegebene pH-Werte gleich konzentrierter Basen und begründe die Unterschiede.
2. Simulation: Nutze eine schulisch freigegebene Simulation und dokumentiere, wie sich der Anteil umgesetzter Teilchen bei einer schwachen Base verändert.
3. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zur Bedeutung von Kb und pKb.
4. Titrationskurve: Beschrifte eine Kurve der Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure und erkläre den Äquivalenzpunkt.

Schwer

1. Versuchsplanung: Plane unter Aufsicht einen Vergleich von pH-Wert und Leitfähigkeit einer starken und einer schwachen Base gleicher Konzentration.
2. Rechenmodell: Erstelle eine Tabellenkalkulation zur pH-Berechnung schwacher Basen und prüfe die Näherungsbedingung.
3. Transferaufgabe: Erkläre, warum eine konzentrierte schwache Base basischer sein kann als eine stark verdünnte starke Base.
4. Fachdebatte: Diskutiere, warum Basenstärke, Löslichkeit, Gefährlichkeit und Konzentration getrennt bewertet werden müssen.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene und Stoffebene: Erkläre mit zwei Teilchenbildern, warum gleich konzentrierte Lösungen einer starken und einer schwachen Base unterschiedliche pH-Werte besitzen können.
2. Unbekannte Base: Eine Base hat einen größeren pKb-Wert als Ammoniak. Leite ab, wie ihre Protonenaufnahme im Vergleich zu Ammoniak einzuordnen ist.
3. Fehleranalyse: Beurteile die Aussage „Eine Lösung mit pH 13 enthält immer eine stärkere Base als eine Lösung mit pH 11“ und verbessere sie.
4. Titrationstransfer: Begründe, warum der Äquivalenzpunkt einer schwachen Base mit einer starken Säure unter pH 7 liegt.
5. Modellgrenze: Erkläre, wann die Wurzel-Näherung für eine schwache Base unzuverlässig wird.
6. Sicherheitsbewertung: Entwickle Kriterien, mit denen Du das Risiko beim Umgang mit einer basischen Lösung bewertest, ohne allein auf die Basenstärke zu schauen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

1. Fachbegriffe: starke Base, schwache Base, Protonenakzeptor, korrespondierende Säure und Gleichgewicht sicher verwenden.
2. Reaktionsgleichung: Protolyse- und Dissoziationsgleichungen korrekt formulieren.
3. Basenstärke: Kb und pKb richtig deuten und Basen vergleichen.
4. Berechnung: pOH und pH einfacher starker und schwacher Basen bestimmen.
5. Darstellung: Teilchenbilder und Titrationskurven fachlich erklären.
6. Transfer: Basenstärke von Konzentration, Löslichkeit und Gefährlichkeit unterscheiden.
7. Sicherheit: angemessene Schutzmaßnahmen im Chemieunterricht begründen.

Verknüpfte Lernbereiche

Starke und schwache Basen - Chemie Säure-Base-Reaktion Brønsted-Säure-Base-Konzept Chemisches Gleichgewicht Basenkonstante pH-Wert Titration Säure-Base-Indikator Labor-Sicherheit