Vertiefungsfragen

HCl ist in Wasser eine sehr starke Säure. Was ist die konjugierte Base dazu? Ist diese konjugierte Base stark oder schwach?
Die Reaktionsgleichung in Wasser ist: HCl + H₂O H₃O⁺ + Cl^-.
Die konjugierte Base ist Cl^-. Die Reaktion läuft praktisch vollständig in Richtung des Reaktionspfeils ab.
Die Rückreaktion läuft daher nur sehr (!) wenig ab. Cl- ist daher eine schwache Base.
Dies gilt auch allgemein: Je stärker eine Säure, desto schwächer ist die konjugierte Base dazu. Je stärker eine Base, desto schwächer ist die konjugierete Säure dazu.

HCl ist eine stärkere Säure als HNO₃. Welches sind die konjugierten Basen? Welche ist stärker?
Die konjugierten Basen sind Cl^- und NO₃^-. Da HCl eine stärkere Säure als HNO₃ ist, ist Cl^- die schwächere konjugierte Base als NO₃^-.

OH^- reagiert als starke Base. Welches ist die konjugierte Säure dazu? Ist diese stark oder schwach?
OH^- als Protonenakzeptor: OH^- + H⁺ H₂O. Da die Base OH^- stark ist, muss die konjugierte Säure H₂O schwach sein.

Ist zu erwarten, dass NO₃^- durch Reaktionen mit H₂O zu einer pH-Änderung führt? (Brönsted-Theorie)
NO₃^- als Protonendonator ist nicht möglich.
NO₃^- als Protonenakzeptor ist möglich: NO₃^- + H⁺ HNO₃
Weil HNO₃ eine starke Säure ist, ist die konjugierte Base NO₃^- schwach.
Die Reaktion als Base mit dem Lösungsmittel ist dann: NO₃^- + H₂O HNO₃ + OH^-
Diese Reaktion tritt für die schwache Base nur sehr (!) wenig ein. c(OH^-) und damit auch c(H⁺) ändern sich praktisch nicht.
Die Lösung eines Nitrats ist neutral.
ANMERKUNG (schwieriger): Diese Überlegung gilt für alle Salze von Alkali- oder Erdalkalimetallen mit starken Säuren. Lösungen von mehrwertigen Kationen, z.B. Al3⁺, reagieren aber in der Regel sauer. Dies hängt nicht (!) mit dem Anion zusammen, die bisherige Überlegung ist richtig. Der saure Charakter ist durch die Säureeigenschaft des Kations hervorgerufen. Dass Al³⁺ in wässiger Lösung sauer reagiert, war erst durch die Theorie von Brönsted verständlich! Al³⁺ bildet in wässriger Lösung Komplexe [Al (H₂O)₆ ]³⁺ . Diese reagieren sauer wegen der Reaktion [Al (H₂O)₆ ]³⁺ + H₂O [Al (H₂O)₅ (OH) ]²⁺ + H₃O⁺.

Geben Sie zu folgenden Stoffen jeweils die konjugierte Säure und Base an! (Begründen Sie auch, wenn diese nicht existieren)
HBr, HSO₄^-, H₃PO₄, H₂PO₄^-, PO₄³-, NH₃, NH₄⁺
HBr: S existiert nicht, dann müsste HBr als Base wirken; B Br^-, weil mit HBr + H₂O H₃O⁺ + Br^- HBr als Säure reagiert
HSO₄^-: S H₂SO₄, weil mit HSO₄^- + H₂O H₂SO₄ + OH^- HSO₄^- als Base reagiert; B SO₄^2-, weil mit HSO₄^- + H₂O SO₄^2- + H₃O⁺ HSO₄^- als Säure reagiert. (HSO₄^- ist überwiegend eine Brönsted-Säure.)
H₃PO₄: S existiert nicht, da H₃PO₄ nicht als Base wirken kann; B H₂PO₄^-, weil mit H₃PO₄ + H₂O H₂PO₄^- + H₃O⁺ H₃PO₄ als Säure reagiert (das entstehende Ion H₂PO₄^- ist selbst wieder eine Brönsted-Säure)
H₂PO₄^-: S H₃PO₄, weil mit H₂PO₄^- + H₂O H₃PO₄ + OH^- H₂PO₄^- als Base reagieren kann; B HPO₄^2-, weil mit H₂PO₄^- + H₂O HPO₄^2- + H₃O⁺ H₂PO₄^- als Säure reagieren kann. (Für Phosphate ist qualitativ schwer einzuschätzen, wie das Ion reagieren wird; erst mit Rechnungen unter Verwendung der pK-Werte kann entschieden werden, welcher Charakter - Säure oder Base - überwiegt.)
PO₄^3-: S HPO₄^2-, weil mit PO₄^3- + H₂O HPO₄^2- + OH^- PO₄^3- als Base reagieren kann; B existiert nicht, weil keine Reaktion möglich ist, bei der PO₄^3- ein Proton übertragen und damit eine konjugierte Base entstehen könnte
NH₃: S NH₄⁺, weil mit NH₃ + H₂O NH₄⁺ + OH^- NH₃ als Base reagieren kann; B NH₂^-, weil mit NH₃ + H₂O NH₂^- + H₃O⁺ NH₃ als Säure unter Bildung des Amid-Anions reagieren kann. (NH₃ ist überwiegend eine Brönsted-Base.)
NH₄⁺: S existiert nicht, NH₄⁺ kann kein H⁺ aufnehmen, ein NH₅⁺ existiert nicht; B NH₃, weil mit NH₄⁺ + H₂O NH₃ + H₃O⁺ NH₄⁺ als Säure reagieren kann.

Welchen Säure/Base-Charakter hat reines H₂O?
H₂O hat Säure und Basecharakter; man nennt das einen amphoteren Stoff. In der Formulierung von Arrhenius ist dies durch H₂O H⁺ + OH^- erkennbar; H₂O liefert sowohl H⁺ als auch OH^-. In der Formulierung von Brönsted ist dies durch H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^- erkennbar; H₂O kann sowohl als Protonendonator als auch als Protonenakzeptor wirken.

Wie und warum kann man mit einem Indikator den pH-Wert einer Lösung erkennen?
Man kann nur jeweils den pH-Wert in einem Umschlagsbereich feststellen, dieser Bereich ist für jeden Indikator verschieden. Das Gleichgewicht zwischen Indikatorsäure und Anion dazu (bzw. Indikatorbase und Kation dazu) hängt von der Konzentration der H⁺-Ionen ab. Für einen Indikator "HInd": HInd    H⁺ + Ind^-. Liegt viel H⁺ vor, liegt überwiegend HInd vor; liegt wenig H⁺ vor, liegt überwiegend Ind^- vor. HInd und Ind^- liegen im Verhältnis 1:1 vor, wenn der pH-Wert der Lösung gleich dem pK_S-Wert der Indikatorsäure ist.

Ein Indikator kann nur in zwei verschiedenen Formen vorliegen - Säure und Anion dazu oder Base und Kation dazu. Beide haben eine bestimmte verschiedene Farbe. Warum kann man aber bei Indikatoren auch Mischfarben beobachten?
Im Bereich um den Umschlagspunkt liegen beide Formen nebeneinander vor. Man beobachet daher die Überlagerung der beiden Eigenfarben als Mischfarbe.

Warum gibt es verschiedene Indikatoren?
Jeder Indikator hat einen bestimmten Umschlagspunkt (und Umschlagsbereich). Um diesen Farbumschlag bei verschiedenen pH-Werten muss jeweils ein dazu passender Indikator ausgewählt werden. Beispiele: Methylrot und Methylorange haben den Umschlagspunkt im schwach sauren und Phenolphthalein im schwach alkalischen pH-Bereich.

Sie haben drei Lösungen, mit pH 3,0, pH 4,5 und 6,0. Wie könnte man mit den beiden Indikatoren Methylorange (MO) und Methylrot (MR) die Lösungen unterscheiden? Wenn Sie wollen, dürfen Sie die Indikatorlösungen auch mischen.
Im Tabellenwerk findet man folgende Umschlagbereiche: MO 3,0 - 4,4; MR 4,4 - 6,2. Man untersucht die Lösungen mit jeweils etwas Indikator. Eine Mischung führt zu unübersichtlichen Farben! pH 3,0: MO orange / MR rot; pH 4,5: MO gelb / MR rot; pH 6,0: MO gelb / MR gelb.

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