Säure-Base-Chemie und Protolyse
Das Themenfeld Säure-Base-Chemie und Protolyse prüft den sicheren Umgang mit dem Brønsted-Konzept, pH- und pKs-Rechnungen, Titrationskurven und Puffersystemen. Erwartet werden quantitative Aufgaben ebenso wie die Deutung von Kurvenverläufen und die begründete Auswahl eines Indikators.
Protolysegleichgewicht
Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator, eine Base ein Protonenakzeptor; jede Protolyse erzeugt ein korrespondierendes Paar. Wasser autoprotolysiert: 2 H2O ⇌ H3O+ + OH– mit Kw = c(H3O+)·c(OH–) = 10^–14 bei 25 °C, also pH + pOH = 14. Für ein konjugiertes Paar gilt pKs + pKb = 14. Starke Säuren wie HCl, HNO3 und H2SO4 (erste Stufe) protolysieren vollständig, schwache nur teilweise.
pH-Werte berechnen
Starke Säure: pH = –lg(c0). Schwache Säure: c(H3O+) = √(Ks · c0) nach dem Ostwald'schen Verdünnungsgesetz, gültig solange der Dissoziationsgrad klein bleibt. Schwache Basen rechnet man analog über Kb. Bei mehrprotonigen Säuren dominiert meist die erste Stufe. Für Puffer gilt Henderson-Hasselbalch: pH = pKs + lg(c(A–)/c(HA)); die maximale Pufferkapazität liegt bei pH = pKs.
Titration
Die Kurve einer schwachen Säure mit starker Base startet flach, durchläuft einen Pufferbereich und hat am Halbäquivalenzpunkt pH = pKs. Der Äquivalenzpunkt liegt bei schwachen Säuren im Basischen (Hydrolyse des Anions), bei starken Säuren bei pH 7. Der Indikator muss im Umschlagbereich um den Äquivalenzpunkt liegen: Phenolphthalein 8,2–10, Methylorange 3,1–4,4.
Rechenbeispiel
100 mL Essigsäure (c = 0,10 mol/L, pKs = 4,75) werden mit 0,10 M NaOH titriert. Nach Zugabe von 50 mL Maßlösung sind 5 mmol Essigsäure in 5 mmol Acetat überführt, es gilt Halbäquivalenz und damit pH = pKs = 4,75. Zu Beginn: c(H3O+) = √(10^–4,75 · 0,10) = 1,3·10^–3 mol/L, pH ≈ 2,89. Am Äquivalenzpunkt (100 mL) liegt eine 0,05 M Acetatlösung vor; über Kb = 10^–9,25 folgt pOH ≈ 5,3 und pH ≈ 8,7 – deshalb Phenolphthalein.
Typische Fehler
Oft wird die Verdünnung durch die Maßlösung nicht berücksichtigt, der Äquivalenzpunkt mit dem Neutralpunkt gleichgesetzt oder die Wurzelformel unzulässig auf starke Säuren angewandt. Häufig fehlt die Unterscheidung von pKs und pKb, und Pufferaufgaben werden ohne Stoffmengenverhältnis nach Zugabe von Säure oder Base gerechnet. Bei hohen Ionenkonzentrationen werden Aktivitätskoeffizienten ignoriert.