Lernziele
- Bestimmen Sie eine starke Säure.
- Listen Sie einige starke Säuren auf.
- Definieren Sie eine schwache Säure.
- Listen Sie einige schwache Säuren auf.
- Schreiben Sie den Ausdruck für die Säureionisationskonstante.
- Bestimmen Sie starke und schwache Basen.
- Nennen Sie Beispiele für starke und schwache Basen.
- Schreiben Sie den Ausdruck für die Ionisationskonstante der Base.
- Berechnen Sie die Ionisationskonstanten von Säuren und Basen.
Starke und schwache Säuren und Säure-Ionisationskonstante (Ka)
Wie ätzt man Glas?
Das Ätzen von Glas ist ein langsamer Prozess, der wunderschöne Kunstwerke hervorbringen kann. Traditionell wird das Glas mit verdünnter Flusssäure behandelt, die das Glas darunter allmählich auflöst. Teile des Stücks, die nicht geätzt werden sollen, werden mit Wachs oder einem anderen nicht reaktiven Material abgedeckt. In neuerer Zeit werden auch Verbindungen wie Ammoniumbifluorid verwendet. Unabhängig davon, welche Chemikalie verwendet wird, muss der Künstler sehr vorsichtig sein, um nichts auf die Haut zu bekommen.
Starke und schwache Säuren und Säure-Ionisationskonstante
Säuren werden als stark oder schwach klassifiziert, basierend auf ihrer Ionisierung in Wasser. Eine starke Säure ist eine Säure, die in einer wässrigen Lösung vollständig ionisiert ist. Chlorwasserstoff (HCl) ionisiert in Wasser vollständig in Wasserstoff- und Chlorid-Ionen.
Eine schwache Säure ist eine Säure, die in einer wässrigen Lösung nur geringfügig ionisiert. Essigsäure (zu finden in Essig) ist eine sehr häufige schwache Säure. Ihre Ionisierung ist unten dargestellt.
Die Ionisierung von Essigsäure ist unvollständig, daher ist die Gleichung mit einem Doppelpfeil dargestellt. Das Ausmaß der Ionisation schwacher Säuren variiert, beträgt aber im Allgemeinen weniger als 10 %. Eine 0,10 M Lösung von Essigsäure ist nur zu etwa 1,3 % ionisiert, was bedeutet, dass das Gleichgewicht die Reaktanten stark begünstigt.
Schwache Säuren ionisieren wie starke Säuren unter Bildung des H+-Ions und einer konjugierten Base. Da HCl eine starke Säure ist, ist ihre konjugierte Base (Cl – ) extrem schwach. Das Chloridion ist nicht in der Lage, das H + -Ion aufzunehmen und wieder zu HCl zu werden. Im Allgemeinen gilt: Je stärker die Säure, desto schwächer ihre konjugierte Base. Umgekehrt gilt: Je schwächer die Säure, desto stärker ihre konjugierte Base.
| Säure | Konjugierte Base | Starke Säuren |
| HCl (Salzsäure) (stärkste) | Cl – (Chloridion) (schwächste) |
| H 2 SO 4 (Schwefelsäure) | HSO 4 – (Hydrogensulfat-Ion) |
| HNO 3 (Salpetersäure) | NO 3 – (Nitrat-Ion) |
| Schwache Säuren | |
| H 3 PO 4 (Phosphorsäure) | H 2 PO 4 – (Dihydrogenphosphat-Ion) |
| CH 3 COOH (Essigsäure) | CH 3 COO – (Acetat-Ion) |
| H 2 CO 3 (Kohlensäure) | HCO 3 – (Hydrogencarbonat-Ion) |
| HCN (Cyanwasserstoffsäure) (schwächste) | CN – (Cyanid-Ion) (stärkste) |
Starke Säuren sind in Lösung zu 100% ionisiert. Schwache Säuren sind nur schwach ionisiert. Phosphorsäure ist stärker als Essigsäure und wird daher in größerem Umfang ionisiert. Essigsäure ist stärker als Kohlensäure, und so weiter.
Die Säure-Ionisationskonstante, Ka
Die Ionisation für eine allgemeine schwache Säure, HA, kann wie folgt geschrieben werden:
Da es sich um eine schwache Säure handelt, kann ein Gleichgewichtsausdruck geschrieben werden. Die Säureionisationskonstante (Ka) ist die Gleichgewichtskonstante für die Ionisation einer Säure.
Die Säureionisation stellt den Anteil der ursprünglichen Säure dar, der in Lösung ionisiert wurde. Daher ist der Zahlenwert von Ka ein Spiegelbild der Stärke der Säure. Schwache Säuren mit relativ höheren Ka-Werten sind stärker als Säuren mit relativ niedrigeren Ka-Werten. Da starke Säuren im Wesentlichen zu 100 % ionisiert sind, ist die Konzentration der Säure im Nenner nahezu Null und der Ka-Wert geht gegen unendlich. Aus diesem Grund werden Ka-Werte im Allgemeinen nur für schwache Säuren angegeben.
Die folgende Tabelle ist eine Auflistung der Säureionisationskonstanten für verschiedene Säuren. Beachten Sie, dass polyprotische Säuren für jeden Ionisationsschritt eine eigene Ionisationskonstante haben, wobei jede aufeinanderfolgende Ionisationskonstante kleiner ist als die vorherige.
| Name der Säure | Ionisationsgleichung | Ka | |
|---|---|---|---|
| Schwefelsäure |
H2SO4 ⇌ H+ + HSO4- HSO4- ⇌ H+ + SO42- |
sehr groß 1.3 × 10-2 |
|
| Oxalsäure |
H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4- HC2O4- ⇌ H+ + C2O42- |
6,5 × 10-2 6.1 × 10-5 |
|
| Phosphorsäure |
H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- HPO42- ⇌ H+ + PO43- |
7,5 × 10-3 6,2 × 10-8 4.8 × 10-13 |
|
| Flusssäure | HF ⇌ H+ + F- | 7,1 × 10-4 | |
| Nitrose Säure | HNO2 ⇌ H+ + NO2- | 4.5 × 10-4 | |
| Benzoesäure | C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- | 6.5 × 10-5 | |
| Essigsäure | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- | 1.8 × 10-5 | |
| Kohlensäure |
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- HCO3- ⇌ H+ + CO32- |
4.2 × 10-7 4,8 × 10-11 |
|
| Hydrocyansäure | HCN ⇌ H+ + CN- | 4.9 × 10-10 |
Starke und schwache Basen und Basen-Ionisationskonstante (Kb)
Ammoniak wofür?
Die gesamte komplexe Elektronik und die Geräte in einem Space Shuttle erzeugen Wärme, ebenso wie die Astronauten. Die Shuttles haben eine komplexe Anordnung von Systemen, um diese Wärme in den Weltraum abzuführen. Eine der Komponenten dieses Systems ist eine Reihe von mit Ammoniak gefüllten Spulen, die sich an der Außenseite des Shuttles befinden. Ammoniak nimmt die Wärme auf und gibt sie dann in den Weltraum ab, während das Gas durch die Spulen zirkuliert. Dieser Ansatz ist sowohl kostengünstig als auch effektiv.
Starke und schwache Basen und Basen-Ionisationskonstante, Kb
Wie bei den Säuren können Basen entweder stark oder schwach sein, abhängig von ihrem Ionisierungsgrad. Eine starke Base ist eine Base, die in einer wässrigen Lösung vollständig ionisiert. Die häufigsten starken Basen sind lösliche Metallhydroxidverbindungen wie Kaliumhydroxid. Einige Metallhydroxide sind nicht so stark, einfach weil sie nicht so löslich sind. Calciumhydroxid ist in Wasser nur wenig löslich, aber der Teil, der sich löst, dissoziiert auch in Ionen.
Eine schwache Base ist eine Base, die in einer wässrigen Lösung nur wenig ionisiert. Erinnern Sie sich, dass eine Base als eine Substanz definiert werden kann, die ein Wasserstoffion von einer anderen Substanz annimmt. Wenn eine schwache Base wie Ammoniak in Wasser gelöst wird, nimmt sie ein H + -Ion aus dem Wasser auf und bildet das Hydroxid-Ion und die konjugierte Säure der Base, das Ammonium-Ion.
Das Gleichgewicht begünstigt die Reaktanten stark und das Ausmaß der Ionisierung des Ammoniakmoleküls ist sehr gering.
Für die Reaktionen schwacher Basen mit Wasser kann ein Gleichgewichtsausdruck geschrieben werden. Da die Konzentration von Wasser extrem groß und nahezu konstant ist, wird das Wasser nicht in den Ausdruck einbezogen. Die Basenionisierungskonstante (Kb) ist die Gleichgewichtskonstante für die Ionisierung einer Base. Für Ammoniak lautet der Ausdruck:
Der Zahlenwert von Kb ist ein Spiegelbild der Stärke der Base. Schwache Basen mit relativ höheren Kb-Werten sind stärker als Basen mit relativ niedrigeren Kb-Werten. In der folgenden Tabelle sind die Ionisationskonstanten verschiedener schwacher Basen aufgeführt.
| Name der Base | Ionisations Gleichung | Kb |
|---|---|---|
| Methylamin | CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- | 5.6 × 10-4 |
| Ammoniak | NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- | 1.8 × 10-5 |
| Pyridin | C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- | 1.7 × 10-9 |
| Acetat-Ion | CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- | 5,6 × 10-10 |
| Fluorid-Ion | F- + H2O ⇌ HF + OH- | 1.4 × 10-11 |
| Harnstoff | H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- | 1.5 × 10-14 |
Beachten Sie, dass die konjugierte Base einer schwachen Säure auch eine starke Base ist. Zum Beispiel hat das Acetat-Ion eine geringe Tendenz, ein Wasserstoff-Ion aus Wasser zu akzeptieren, um Essigsäure und das Hydroxid-Ion zu bilden.
Berechnen von Ka und Kb
Wer hat das pH-Meter erfunden?
Das pH-Meter wurde erfunden, weil Orangenbauern in Florida eine Möglichkeit brauchten, den Säuregehalt ihrer Früchte zu testen. Das erste Messgerät wurde von Arnold Beckman erfunden, der später Beckman Instruments gründete.
Beckmans Unternehmen war sehr erfolgreich und er verwendete einen Großteil seines Vermögens, um die wissenschaftliche Ausbildung und Forschung zu finanzieren. Die Beckman-Familie spendete 40 Millionen Dollar für den Bau des Beckman-Instituts an der Universität von Illinois.
Berechnen von Ka und Kb
Der Zahlenwert von Ka oder Kb kann durch ein Experiment ermittelt werden. Dazu wird eine Lösung mit bekannter Konzentration hergestellt und ihr pH-Wert mit einem pH-Meter gemessen.
Abbildung 1. Ein pH-Meter ist ein Laborgerät, das schnelle und genaue Messungen des pH-Wertes von Lösungen ermöglicht.
Problemstellung: Berechnung einer Säure-Ionisationskonstante
Eine 0,500 M Lösung von Ameisensäure wird hergestellt und ihr pH-Wert wird mit 2,04 gemessen. Bestimmen Sie die Ka für Ameisensäure.
Schritt 1: Listen Sie die bekannten Werte auf und planen Sie das Problem.
Bekannt
- Anfang = 0,500 M
- pH = 2,04
Unbekannt
- Ka = ?
Zunächst wird der pH-Wert zur Berechnung des Gleichgewichts verwendet. Es wird eine ICE-Tabelle aufgestellt, um die Konzentrationen von HCOOH und HCOO – im Gleichgewicht zu bestimmen. Alle Konzentrationen werden dann in den Ka-Ausdruck eingesetzt und der Ka-Wert wird berechnet.
Schritt 2: Lösen.
Da jedes Ameisensäuremolekül, das ionisiert, ein H + -Ion und ein Formiat-Ion (HCOO – ) liefert, sind die Konzentrationen von H + und HCOO – im Gleichgewicht gleich. Wir nehmen an, dass die Anfangskonzentrationen der einzelnen Ionen gleich Null sind, was zu folgender ICE-Tabelle führt.
| Konzentrationen | |||
| Anfangskonzentration | 0.500 | 0 | 0 |
| Änderung | -9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 |
| Gleichgewicht | 0.491 | 9,12 × 10 -3 | 9.12 × 10 -3 |
Das Einsetzen in den Ausdruck Ka ergibt nun:
Schritt 3: Denken Sie über Ihr Ergebnis nach.
Der Wert von Ka ist konsistent mit dem einer schwachen Säure. Zwei signifikante Ziffern sind für die Antwort angemessen, da der angegebene pH-Wert zwei Nachkommastellen hat.
Ähnliche Schritte können unternommen werden, um den Kb-Wert einer Base zu bestimmen. Zum Beispiel hat eine 0,750 M Lösung der schwachen Base Ethylamin (C2H5 NH2) einen pH-Wert von 12,31.
Da eines der Produkte der Ionisierungsreaktion das Hydroxid-Ion ist, müssen wir zunächst den Gleichgewichtswert bestimmen. Der pOH ist 14 – 12,31 = 1,69. Der ergibt sich dann aus 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. Die ICE-Tabelle wird dann wie unten gezeigt aufgestellt.
| Konzentrationen | ||||
| Initial | 0.750 | 0 | 0 | |
| Änderung | -2,04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 | +2,04 × 10 -2 | |
| Gleichgewicht | 0,730 | 2,04 × 10 -2 | 2.04 × 10 -2 |
Die Substitution in den Kb-Ausdruck ergibt den Kb für Ethylamin.
Zusammenfassung
- Starke und schwache Säuren sind definiert.
- Die Säure-Ionisationskonstante (Ka) ist definiert.
- Starke und schwache Basen sind definiert.
- Die Basen-Gleichgewichtskonstante ist angegeben.
- Berechnungen von Ka und Kb sind beschrieben.
Praxis
Starke und schwache Säuren und Säure-Ionisationskonstante (Ka)
Lesen Sie das Material unter dem unten stehenden Link und beantworten Sie die folgenden Fragen:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html
- Warum ist der Faktor nicht im Ausdruck für Ka enthalten?
- Wenn wir H+ schreiben, wovon reden wir dann wirklich?
- Welche ist die schwächere Säure: Methansäure oder Ethansäure?
Starke und schwache Basen und Basen-Ionisationskonstante (Kb)
Lesen Sie das Material unter dem unten stehenden Link und beantworten Sie die folgenden Fragen:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html
- In Gegenwart von Hydroxid-Ionen, in welche Richtung verschiebt sich das Gleichgewicht für die Gleichung, die die Dissoziation von Wasser zeigt?
- Welcher Prozentsatz des Ammoniaks in Lösung erzeugt tatsächlich Hydroxidionen?
- Wie hängt die Gleichgewichtslage mit der Stärke einer schwachen Base zusammen?
Berechnen von Ka und Kb
Lesen Sie das Material unter dem unten stehenden Link und beantworten Sie die folgenden Fragen:
http://www.ausetute.com.au/kb.html
- Was dissoziiert eine Arrhenius-Base zu?
- Was bildet eine Brønsted-Lowry-Base in Wasser?
- Wie wird die prozentuale Ionisierung bestimmt?
Wiederholung
Starke und schwache Säuren und Säure-Ionisationskonstante (Ka)
- Warum ist das Chlorid-Ion die schwächste konjugierte Base?
- Wie hoch ist die prozentuale Ionisation in einer 0.1 M Lösung von Essigsäure?
- Welche ist die stärkere Säure: HF oder Benzoesäure?
Starke und schwache Basen und Basen-Ionisationskonstante (Kb)
- Bestimmen Sie eine starke Base.
- Bestimmen Sie eine schwache Base.
- Welche ist die stärkere Base: Pyridin oder Harnstoff?
Berechnung von Ka und Kb
- Welcher Ansatz wird zur Berechnung der Ionisationskonstanten verwendet?
- Welche Anfangsannahmen werden getroffen?
- Welche Gleichgewichtsannahmen werden getroffen?
Glossar
- Säure-Ionisationskonstante
: Die Gleichgewichtskonstante für die Ionisation einer Säure. - Starke Säure: Eine Säure, die in wässriger Lösung vollständig ionisiert wird.
- Schwache Säure: Eine Säure, die in wässriger Lösung nur wenig ionisiert.
- Basen-Ionisationskonstante
: Die Gleichgewichtskonstante für die Ionisation einer Base. - starke Base: Eine Base, die in wässriger Lösung vollständig ionisiert.
- Schwache Base: Eine Base, die in wässriger Lösung nur wenig ionisiert.
- pH-Meter: Ein Gerät zur genauen Messung des pH-Wertes.