8 Neutralisation

Neutralisationen sind exotherme Säure-Base-Reaktionen nach folgendem Schema: 

Säure       +        Lauge          →            Salz           +          Wasser         ΔH < 0

 Häufig (aber nicht immer) ist das Resultat eine "neutrale" Lösung. 

Lauge = Alkalische Lösungen oder Laugen sind wässrige Lösungen von Metallhydroxiden

8.1 Reaktion von verdünnter Salzsäure mit verdünnter Natronlauge

Als Beispiel für eine typische Neutralisationsreaktion soll die Reaktion von verdünnter Salzsäure mit verdünnter Natronlauge dienen, wie sie zum Beispiel bei einer Titration vorkommt. 

a) Versuch: „Titration einer Salzsäurelösung“

Typischer Versuchsaufbau: 

 

• In die Bürette gibt man verdünnte Natronlauge, die man langsam bis zum Farbumschlag zutropft.
• In dem Becherglas ist die Salzsäure und ein paar Tropfen eines Säure-Base-Indikators. Mit Hilfe eines Magnetrührers kann man für eine gleichmäßige Durchmischung sorgen. 

b) Beobachtung:

⇨ verdünnte Salzsäure + Bromthymolblau: gelb

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Die Oxonium-Ionen (H₃O⁺) färben Bromthymolblau gelb

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⇨ verdünnte Natronlauge + Bromthymolblau: blau

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Erklärung: Die Hydroxid-Ionen (OH¹⁻ ) färben Bromthymolblau blau

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⇨ In reinem Wasser ist Bromthymolblau grün (Mischfarbe)

c) Teilchengleichung

Formuliert einmal die Reaktionsgleichung als Strukturformel für die Reaktion mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren für die Reaktion für die Neutralisatonsreaktion: verdünnte Salzsäure reagiert mit verdünnter Natronlauge: 

Hinweis: Öffnet die Tipp-Hinweise wirklich nur dann, wenn ihr absolut keine Ahnung habt. Diese "Tipps" sind übrigens generell bei Säure-Base-Reaktionen anwendbar; sind also die einzelnen Schritte, die man sich überlegen sollte. 

{slider title="Tipp 1: Vorgehensweise" open="false" class="icon"}

Am Besten man notiert sich zunächst die Teilchen die in den jeweiligen Lösungen vorliegen. Wer nicht weiter weiß, blättert in seinem Heft. Wer dort nichts findet öffnet die anderen Tipp-Fenster.

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{slider title="Tipp 2: Teilchen, die in verdünnter Salzsäure vorliegen" open="false" class="icon"}

Verdünnte Salzsäure enthält folgende Teilchen: H₂O, H₃O⁺, Cl¹⁻

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{slider title="Tipp 3: Teilchen, die in verdünnter Natronlauge vorliegen" open="false" class="icon"}

Verdünnte Natronlauge enthält folgende Teilchen: H₂O, Na¹⁺, OH¹⁻

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{slider title="Tipp 4: Was ist jetzt aber die Säure, was die Base?" open="false" class="icon"}

1. Säure = Protonendonator: muss ein positiviertes H (polar gebundenes H haben)
2. Base = Protonenakzeptor: muss ein freies Elektronenpaar besitzen.
3. Mögliche Säuren laut oben genannter Teilchen: H₃O⁺, H₂O, OH¹⁻  ⇒ H₃O⁺ ist positiv geladen ⇒ wird am leichtesten ein H⁺ abgeben ⇒ Gleiche Ladungen stoßen sich ab! 
4. Mögliche Basen laut oben genannter Teilchen: H₂O, H₃O⁺, Cl¹⁻, OH¹⁻ => negativ geladenes Teilchen zieht ein positives Teilchen (H⁺) an. Da Cl¹⁻ aber größer ist (steht in der 3. Periode) ist es eine schwächere Base als OH¹⁻; somit ist OH¹⁻ die Base (denkt daran: aus einer starken Säure (Bsp.: HCl) wird eine schwache Base (Cl¹⁻) 

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{slider title="Lösung: Reaktionsgleichung" open="false" class="icon"}

 

Ihr seht, man kann aus zwei sehr gefährlichen Stoffen (Salzsäure und vor allem Natronlauge) relativ harmloses "Nudelwasser" (Kochsalz + Wasser) herstellen. 

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Abschließende Aufgabe: formuliert einmal das Protolyse-Reaktion für die allegemeine Neutralisationsreaktion. 

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7 Konzentration

In diesem Kapitel geht es um die Grundlage der Berechnung von Stoffmengenkonzentrationen. Da das Thema parallel mit dem Schulbuch bearbeitet wird gibt es hier nur die wichtigsten Formeln. 

Falls du dich überhaupt nicht mehr daran erinnern kannst, was Molare Masse, Stoffmenge, etc. ist, empfehle ich entsprechende Kapitel im Schulbuch oder die folgenden Kapitel auf dieser Seite durchzulesen:  4. Quantitative Beziehungen

Wiederholung: 

Größe	Symbol	"Definition"	Einheit	Beispiel
Masse	m		g (kg, t, mg)	z.B. m(HCl) = 2 g
Stoffmenge	n		mol	n(HCl) = 2,33 mol
Molare Masse	M			M(HCl) = 36,46 g/mol [bezieht sich auf den Stoff und steht im PSE!]
Volumen	V		l, cm³	V(HCl) = 1 l
Molares Volumen	Vm			Wichtig: Das Volumen von Gasen pro Mol (also bei gleicher Anzahl der Teilchen) ist annähernd konstant. Deshalb ist es auch wichtig, die Zahlenwerte auswendig zu lernen.  Vm(Gas) = 22,4 L/mol (bei 0°C) Vm(Gas) = 24 L/mol (bei 25°C)

 Problem: Angaben der Stoffmenge eines Stoffes in einer Lösung. Zum Beispiel wie viele Oxonium-Ionen befinden sich ein einem Becherglas mit zusätzlichen Wassermolekülen: 

Angenommen, ich habe 1 mol (ihr wisst vielleicht noch, dass 1 mol extrem viele Teilchen sind. Mol steht für 6,022 * 10²³ Teilchen) Oxonium-Ionen in einem Liter Wasser gelösts. Schütte ich nun exakt 0,5 L dieser Lösung in ein zweites Becherglas, dann habe ich nur noch je 0,5 mol Oxonium-Ionen in jedem Becherglas. Das heißt die Anzahl der Oxonium-Teilchen hat sich in jedem Becherglas halbiert. Aber die Konzentration ist trotzdem gleich geblieben: Die Lösung ist noch immer genau so sauer. Und genau das möchte ich mit Hilfe von Gehaltsangaben verdeutlichen: 

Gehaltsangaben: 

a) Massenanteil

b) Massenkonzentration

c) Stoffmengenkonzentration

Das ist die wichtigste Gehaltsangabe in der Schulchemie. Wenn in der Schule von Konzentration gesprochen wird, meint man die Stoffmengenkonzentration. 

 

 

Übungen:

Im weiteren werden wir vor allem mit der Formel der Molaren Masse (M = m/n)  und der Stoffmengenkonzentration ( c = n/V(gesamt)) arbeiten: 

1. Aufgabe: 

10 g Natriumhydroxid (NaOH) werden in Wasser gelöst und die Lösung mit Wasser auf 500 ml aufgefüllt. Bestimme die Stoffmengenkonzentration c der Natronlauge (=Natriumhydroxid in Wasser gelöst). [Erg.: c(NaOH(aq)) = 0,5 L/mol]

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Lösungsschritte: 

geg.: M(NaOH) ⇒ steht im PSE, m(NaOH) = 10g, V = 0,5 L, M = m/n  und c = n/V

ges.: c (NaOH(aq))

1. Berechne M mit Hilfe der Werte im PSE
2. Berechne n durch Umstellung der Formel M = m/n <=> n = m/M
3. Berechne c durch Einsetzen von n (aus 2.) und V (siehe geg). 

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M(NaOH) = (23+16+1) g/mol = 40 g/mol
n(NAOH) = m(NaOH)/M(NaOH)= 10g/40g/mol = 0,25 mol
c(NaOH) = n(NaOH)/V(Lösung) = 0,5 mol/l

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2. Aufgabe:

Berechne die Konzentration einer Kaliumnitratlösung (KNO₃). Für diese Lösung wurde 10 g Kaliumnitratlösung in 5 Liter Wasser gelöst. 

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Lösungsschritte: 

geg.: M(KNO₃) ⇒ steht im PSE, m(KNO₃) = 10 g, V = 5 L, M = m/n  und c = n/V

ges.: c (KNO₃(aq))

1. Berechne M mit Hilfe der Werte im PSE
2. Berechne n durch Umstellung der Formel M = m/n <=> __________
3. Berechne c durch Einsetzen von n (aus 2.) und V (siehe geg). 

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{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

M(KNO₃) = (39+14+3⋅16) g/mol = 101 g/mol
n(KNO₃) = m(KNO₃)/M(NKNO₃)= 10g/101g/mol = 0,1 mol (0,99010 mol)
c(KNO₃) = n(KNO₃)/V(Lösung) = 0,02 mol/l (Danke an A.W. für die Korrektur)

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3. Aufgabe:

Berechne die Masse an Kaliumhydroxid, die Du für die Herstellung von Kalilauge mit einer Stoffmengenkonzentration von 1 mol/L benötigst. Kalilauge ist Kaliumhydroxid in Wasser gelöst. 

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Lösungsschritte: 

geg.: M(KOH) ⇒ steht im PSE, c(KOH (aq)) = 1 mol/L, V = 1 L, M = m/n  und c = n/V

ges.: m (KOH)

1. Berechne n mit Hilfe Formel für Stoffmengenkonzentration (ist so einfach, dass man es vielleicht auch sofort "sieht"). 
2. Berechne m durch Umstellung der Formel M = m/n <=> __________
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n(KOH) = c(KOH) ⋅ V(Lösung) = 1 mol/L ⋅ 1 L = 1 mol
M(KOH) = (39+16+1) g/mol = 56 g/mol
m(KOH) = n(KOH) ⋅ M(KOH)= 1mol ⋅ 56 g/mol = 56 g
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• Molare Masse

6 Chlorwasserstoff-Gas und Wasser (Springbrunnen)

Chlorwasserstoff: Summenformel HCl, polare Atombindung, Gas, stechender Geruch 

Wasser: Summenformel H₂O, polare Atombindung, Flüssigkeit, geruchslos

a) Versuch:

b) Beobachtung:
Das Wasser „schießt“ bergauf in den Rundkolben. Die Indikatorfarbe schlägt nach rot/gelb um. Die rote wässrige Lösung ist geruchlos.

c) Reaktionsgleichung – Struktur/Lewisformel:

Theoretisch gibt es zwei Möglichkeiten, wie Wasser und Chlorwasserstoff reagieren können.

1. Formuliere einmal diese zwei Möglichkeiten als Reaktionsgleichung mit Strukturformeln. 
2. Entscheide, welche dieser beiden möglichen Reaktionen tatsächlich abläuft. Falls du nicht drauf kommst, gehe zurück zum Thema: Säure-Stärke 

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1. Möglichkeit:

2. Möglichkeit:

Chlorwasserstoff ist die stärkere Säure, da Chlor ein größeres Atom ist, als Wasserstoff. Außerdem ist das Hydroxid-Ion ist eine sehr starke Base.

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Nachweis der gebildeten Ionen:

• Leitfähigkeitsmessung
• durch Elektrolyse: An der Anode (+-Pol) entsteht dabei Cl₂-Gas. Somit müssen in der verdünnten Salzsäure Chlorid-Ionen (Cl⁻-Ionen) vorliegen.

• durch Indikator: Die Gelbfärbung bei Bromthymolblau zeigt Oxonium-Ionen (H₃O⁺) an. 

Reaktionsgleichung Zusammenfassung

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Begründung:
Chlor (vom Chlorwasserstoff) ist ein größeres Atom als Sauerstoff (vom Wasser). Deshalb ist Chlorwasserstoff eine stärkere Säure und gibt das Proton (H⁺) und Wasser nimmt das Proton auf.
verdünnte Salzsäure enthält hydratisierte Oxonium- und Chlorid-Ionen und Wassermoleküle.

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Verdünnte Salzsäure enthält hydratisierte Oxonium- und Chlorid-Ionen und Wassermoleküle.

d) Protolyseschema

Formuliere für diese Reaktion einmal das Protolyseschema: 

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e) Erklärung:
Chlorwasserstoff-Gas reagiert mit Wasser. Im Zylinder entsteht ein Unterdruck. Die Oxonium-Ionen färben den Universalindikator/Bromthymolblau rot/gelb.

Salzsäure: = wässrige Lösung des Gases Chlorwasserstoff

 

Wenn man sehr viel HCl-Gas in Wasser einleitet, reagieren nicht mehr alle HCl-Moleküle mit den H₂O-Molekülen. Diese HCl-Moleküle liegen „gelöst“ vor. Es ist so „rauchende“ bzw. konzentrierte Salzsäure entstanden.

	Leitfähigkeit	Geruch	Indikatorpapier	Teilchen
verdünnte Salzsäure	+	-	rot	H₂O, H₃O⁺, Cl⁻
rauchende Salzsäure	+	+	rot	H₂O, H₃O⁺, Cl⁻, HCl

• Säure-Base-Reaktion
• Protolyse
• Brønsted-Säure
• Säurestärke
• Protolyse-Schema
• Chlorwasserstoff
• Wasser
• Ampholyte
• Salzsäure
• Chlorid-Ion
• Oxonium-Ion