Säurestärke

Säurestärke
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Säure-Base-Reaktionen		pH-Wert-Berechnung

Vergleicht man verschiedene Säuren gleicher Konzentration (z. B. Salzsäure mit Essigsäure), ergeben sich unterschiedliche pH-Werte (s. Experimente). Diese Beobachtung lässt sich über die Säurestärke erklären:

Allgemeines

Die Säurestärke oder Acidität gibt an, in welchem Umfang eine Säure in Wasser protolysiert, d. h. die in der Säure enthaltenen H⁺-Ionen tatsächlich abgespalten werden.

• Starke Säuren wie Salzsäure protolysieren im Wasser vollständig.
• Schwache Säuren wie Essigsäure hingegen protolysieren im Wasser nur zum Teil, der pH-Wert ist höher (= weniger sauer), als sich nach Konzentration der Säure erwarten lässt.

pK_S-Werte

Der pK_S-Wert ist ein Maß für die Säurestärke. Je niedriger der pK_S-Wert, desto stärker (protolysiert) ist die Säure, siehe Tabelle. Im allgemeinen gilt eine Säure mit einem pK_S-Wert größer 4 als schwache Säure.

Der pK_S-Wert ist der pH-Wert, bei dem 50 % der Säure dissoziiert ist, d. h. die Hälfte aller in der Säure enthaltenen H⁺-Ionen frei in wässriger Lösung vorliegen.

Als Formel:

pK_S = 2 · pH + lg c(HA) bzw. pH = 0,5 · (pK_S - lg c(HA))

Der pK_S-Wert leitet sich als negativer dekadischer Logarithmus (vgl. pH-Wert) von der Säurekonstanten K_S ab: pK_S = -lg K_S.

Anhand dieses mathematischen Zusammenhanges lässt sich der pK_S-Wert experimentell bestimmen (siehe unten). Eine umfassende Zusammenstellung der pK_S-Werte als Excel-Tabelle von Franz Kass.

Experimentelle Bestimmung von pK_S-Werten

Die pK_s-Werte schwacher Säuren lassen sich auf verschiedenen Wegen experimentell bestimmen:

1. Bestimmung des pK_S-Wertes mittels Halbtitration
   Bei unbekannter Konzentration der schwachen Säure kann der pK_S mittels Halbtitration bestimmt werden.
   
2. Bestimmung des pK_S-Wertes bei bekannter Konzentration der schwachen Säure
   Der pH-Wert am sog. Halbäquivalenzpunkt ist bei schwachen Säuren gleich dem pK_S-Wert der Säure. Hierzu gibt man zu der schwachen Säure genau die Hälfte der Stoffmenge (n = V · c) an starker Base (z. B. Natronlauge), die man für die Neutralisation einer starken Säure (wie Salzsäure) benötigt hätte.
   Beispiel: Gibt man zu 100 mL Essigsäure (c = 1 mol/L) 50 mL Natronlauge (c = 1 mol/L) hinzu, stellt sich ein pH-Wert von 4,8 ein, der dem pK_s-Wert entspricht.
   
3. Messung des pH-Wertes und Errechnen des pK_S-Wertes
   Am Beispiel der Essigsäure soll der pK_S-Wert durch Messung des pH-Wertes bestimmt werden:
   Ausgangskonzentration der Essigsäure lt. Hersteller: c = 10^-2 mol · L^-1 ; gemessener pH-Wert = 3,4.
   Errechnen des pK_S-Wertes:
   Geg.: c(Essigsäure) = 10^-2 mol · L^-1; pH = 3,4.
   Ges.: pK_S(Essigsäure)
   Lösung: pK_S = 2 · pH + lg c(HA)
   Einsetzen: pK_S = 2 · 3,4 + lg 10^-2
   Ausrechnen: pK_S = 6,8 + (-2) = 4,8
   Antwort: Der pK_S-Wert von Essigsäure beträgt 4,8.

Basenkonstante

Starke Basen protolysieren im Wasser vollständig. Bei schwächeren hingegen stellt sich ein Protolysegleichgewicht ein -> K_B. Oft verwendet man auch den pK_B- Wert :

B(aq) + H₂O ⇌ HO + OH^-

K_B = c(HB⁺) · c(OH^-) / c(B) ;pK_B = -lg K_B

Der pK_S-Wert + den pK_B-Wert müssen zusammen immer = 14 ergeben.

Mehrprotonige Säuren

Beispiele für mehrprotonige Säuren sind Schwefelsäure (H₂SO₄) oder Phosphorsäure (H₃PO₄). Die Moleküle dieser Säuren sind in der Lage, mehr als nur ein Proton abzugeben. Da diese Säuren stufenweise protolysieren (1. Proton weg, dann das 2. usw.), gibt für jede Stufe einen eigenen pK_S-Wert.

Beispiel Protolyse der 3-protonigen Phosphorsäure:

1. Schritt (= 1. Protolysestufe): In wässriger Lösung bilden sich zunächst Dihydrogenphosphat-Ionen (H₂PO₄^-):

H₃PO₄ + H₂OH₃O⁺ + H₂PO₄^-

2. Schritt (= 2. Protolysestufe): Bei höherem pH-Wert bilden sich Hydrogenphosphat-Ionen (HPO₄^2-):

H₂PO₄^- + H₂OH₃O⁺ + HPO₄^2-

3. Schritt (= 3. Protolysestufe): Bei noch höherem pH-Wert bilden sich Phosphat-Ionen (PO₄^3-):

HPO₄^2- + H₂OH₃O⁺ + PO₄^3-

Dies sind Säuren im Sinne Brönsteds: Ionen, deren Ursprung aus der Protolyse mehrprotoniger Säuren stammen und die selbst noch ein Proton abgeben können. Nun lässt sich auch für sie ein pK_S-Wert angeben. Nur Phosphorsäure in der 1. Protolysestufe zum Dihydrogenphosphat-Ion ist mit einem pK_S = 2,13 eine relativ starke Säure. Die weiteren Protonen werden nicht mehr so leicht abgespalten. In der 2. und 3. Protolysestufe liegt der pK_S-Wert bei 7,2 bzw. 12,63, also wie bei einer schwachen Säure (siehe Tabelle).

Um die pK_S-Werte mehrprotoniger Säuren auseinanderzuhalten, werden diese entsprechend ihrer Protolysestufe bezeichnet. Bei der Phosphorsäure also pK_S1 = 2,13; pK_S2 = 7,2; pK_S3 = 12,63.

Experimente

Haben gleich konzentrierte Säuren wirklich unterschiedliche pH-Werte?

"Haben gleich konzentrierte Säuren wirklich unterschiedliche pH-Werte?"

Geräte: Schutzbrille, 2 Bechergläser (50 mL)

Chemikalien: 2 pH-Stäbchen, je ca. 2 mL Essigsäure und Salzsäure (c = 1 mol/L)

Durchführung:

In das eine Becherglas werden wenige ml von der einen Säure gegeben und in das andere Glas wenige ml von der anderen Säure. Nun wird mit Hilfe der pH-Stäbchen getestet, ob diese gleichkonzentrierten Säuren wirklich unterschiedliche pH-Werte haben, indem jeweils ein pH-Stäbchen in eine Säure gehalten wird und die jeweiligen pH-Werte abgelesen werden können.

Nun kann die Ausgangsfrage sicher beantwortet werden ...

weitere Experimente

• Acidität von Carbonsäuren - pH-Wert-Messung, in: Chemie? - Aber sicher!, Seite 15-12
• Acidität von Carbonsäuren - Reaktion mit Magnesium, in: Chemie? - Aber sicher!, Seite 15-11
• Bestimmung des pK_S-Wertes von Salicylsäure, in: Elemente Chemie 2, Seite 219, Versuch 1
• Bestimmung des pK_S-Wertes von Sorbinsäure, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 276, Versuch 2
• Protolyse organischer Säuren: Induktionseffekt und Säurestärke, in: Chemie heute SII, Seite 323, Versuch 2
• pH-Wert-Bestimmung: Vom pH-Wert zum pKs-Wert, in: Chemie heute SII, Seite 154, Versuch 2

Übungen

Übungsaufgaben zur pH-Wert-Berechnung unter Berücksichtigung der Säurestärke findest Du hier.

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Säurestärke:
Chemie FOS-T     auf Seite 152	Chemie heute     auf Seite 112, 417	Elemente Chemie     auf Seite 205

Weblinks

• Säurestärke als Google-Suchbegriff
• Säurestärke in der Wikipedia
• Säurestärke hier in bs-wiki.de mit Google
• Säurestärke als Youtube-Video
• Eine umfassende Zusammenstellung der pK_S- und pK_B-Werte als Excel-Tabelle von Franz Kass.

Dieser Artikel wurde verfasst von: --Blume,--Tascha,--Daddy 12:13, 9. Jan 2006 (CET)