Säure-Base-Reaktionen Was sind Säuren und Basen? - Experiment
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Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 1
Säure-Base-Reaktionen
Was sind Säuren und Basen?
Experiment
Beobachtung: Deionisiertes Wasser leitet den Strom praktisch nicht. Der Leitfähigkeitsprüfer
leuchtet nicht. Wird Chlorwasserstoff zugegeben, beginnt die Lampe zu leuchten.
Auswertung:
Wenn gasförmiger Chlorwasserstoff in Wasser geleitet wird, entstehen aus ungeladenen
Molekülen Ionen. Eine Lösung von Ionen leitet den Strom.
Definition aus dem Beispiel ableiten:
Säuren sind Protonenspender. Sie können H+ an eine Base abgeben.
In der Organischen Chemie ist es üblich, dass Pfeile von Elektronenpaaren ausgehen. Die
obige Darstellung weicht von dieser Konvention ab und zeigt, dass H+ von der Säure auf die
Base übertragen wird. Die Richtung des Pfeils entspricht dem Begriff Protonenspender und
passt zur Definition. Entscheiden Sie selber, wie Sie die Pfeile zeichnen wollen.
Kontrollversuche:
1) Mit Silbernitrat-Lösung können die entstandenen Chlorid-Ionen nachgewiesen werden.
2) Der Leitfähigkeitspüfer leuchtet nicht, wenn Chlorwasserstoff in ein apolares Lösungsmittel, z.
Bsp. Heptan geleitet wird.
Kein Schüler denkt an diese Abklärungen und entsprechend klein ist das Interesse. Ich lasse die
Kontrollen meistens weg und lenke damit auch nicht vom primären Ziel ab vorzustellen, was eine
Säure und eine Base ist. Anders sieht es aus, wenn man das wissenschaftliche Vorgehen
thematisieren möchte. Dann bietet sich hier eine gute Gelegenheit Positiv- und Negativ-Kontrolle
zu demonstrieren.
Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 2 Aufgabe: Säure-Base-Reaktionen formulieren 1) als Input vormachen: HNO3 + H2O 2) HCl + NH3 3) CH3COO- + HCl 4) H3O+ + OH- 5) HCOOH + H2O Kommentar: Die Beispiele in dieser Aufgabe sind so gewählt, dass die Schüler die Säuren und Basen erahnen können. Folgende Argumente können die SuS zum jetzigen Zeitpunkt benützen: HCl wurde als Säure vorgestellt. Wegen den Coulomb-Kräften geben Kationen H+ ab und Anionen nehmen H+ auf. Weil Kohlenwasserstoffe reaktionsträge sind, gibt bei Ameisensäure nur die COOH-Gruppe ein Proton ab. Erkenntnis: Es ist schwierig die Säuren und Basen zu identifizieren. Wir brauchen eine Tabelle. Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 3 Kapitel 12.4 im Lehrbuch Elemente (Ausgabe 2018) Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 4 Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 5 Die Säurestärke Wandtafeldarstellung von N. Gämperli Die Säure-Base-Tabelle Persönliche Empfehlung: Den pKs-Wert an dieser Stelle nicht thematisieren. Begründung: Viele Schülerinnen sehen nicht ein, weshalb die Konzentration von Wasser und die Gleichgewichtskonstante zu Ks zusammengefasst werden. Zudem haben viele Schüler kein gutes Verhältnis zum Logarithmus. Am Ende verwechseln Schüler pH und pKs oft und sehen nicht, dass das eine eine Konzentrationsangabe und das andere eine Materialgrösse ist. Der pKs kann bei Bedarf später eingeführt werden. Nach dem pH-Wert wird die Erklärung einfacher, weil sich die SuS an den Logarithmus gewöhnt haben. In Zeitnot verzichte ich im Grundlagenfach ganz auf den pKs-Wert. Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 6
Säure/Base-Tabelle (Säure/Base-Paare, pKS- und pKB-Werte)
pKs-Wert Säuren
-9 HClO4 ClO4- 23
-8 HI I- 22
-7 HBr Br- 21
-6 HCl Cl- 20
-3 H2SO4 (Schwefelsäure) HSO4- 17
-1.74 H3O+ (Oxonium-Ion) H2O 15.74
-1.32 HNO3 (Salpetersäure) NO3- (Nitrat-Ion) 15.32
0 HClO3 ClO3- 14
0 PH4+ PH3 14
1.92 HSO4- SO42- (Sulfat-Ion) 12.08
1.96 H2SO3 HSO3- 12.04
1.96 H3PO4 (Phosphorsäure) H2PO4- 12.04
3.14 HF F- 10.86
3.22 C4H6O6 (Weinsäure) C4H5O6- 10.74
3.7 HCOOH (Ameisensäure) HCOO- (Formiat-Ion) 10.3
4.76 CH3COOH (Essigsäure) CH3COO- (Acetat-Ion) 9.24
6.46 H2CO3 (Kohlensäure) HCO3- 7.54
7.06 H2S HS- 6.94
7.2 HSO3- SO32- 6.8
7.21 H2PO4- HPO42- 6.79
9.21 NH4+ (Ammonium-Ion) NH3 (Ammoniak) 4.79
9.4 HCN CN- (Cyanid-Ion) 4.6
9.89 C6H5OH (Phenol) C6H5O- 4.11
10.40 HCO3- CO32- (Carbonat-Ion) 3.60
12.32 HPO42- PO43- (Phosphat-Ion) 1.68
12.9 HS- S2- 1.1
15.74 H2O OH- (Hydroxid-Ion) -1.74
16 CH3CH2OH (Ethanol) CH3CH2O- -2
23 NH3 (Ammoniak) NH2- -9
24 OH- (Hydroxid-Ion) O2- -10
Basen pKb-Wert
Tabelle von Dr. K. Pfefferkorn, Kantonsschule Oerlikon
Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 7
Aufgaben: Säure-Base-Reaktionen formulieren
Reflexion: Die Beispiele sind für den Unterricht wichtig. Oft brauche ich viel Zeit bis ich mich
entscheiden kann und überarbeite die Aufgaben nach dem Unterricht mehrmals.
Warum wurden diese Beispiele gewählt?
Was würden Sie für Ihren Unterricht ändern?
1) Input: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung und bestimmen Sie die Lage des Gleichgewichts
mit Hilfe der Säure-Base-Tabelle wenn CH3COOH, NaOH und Wasser gemischt werden.
Lernaufgabe 1. Teil
2) HF und KCN
3) NaCl und HCOOH
4) NH3 und H2O
Resultate diskutieren
Lernaufgabe 2. Teil
5) NH3 und NaH2PO4
6) NaHCO3 und NaHSO4
7) Na2SO3 und HNO3
8) H3PO4 und NaOH
Resultate diskutieren. Sie müssen bestimmt erklären wie mehrprotonige Säuren und Basen
reagieren. In den folgenden Anwendungen mit Kalk und Eisensulfid wird die mehrfache
Aufnahme von H+ geübt.
Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 8
Anwendungen
1. Entkalken
Aufgabe: Formulieren Sie die Reaktions-
gleichungen der Entkalkung, die zur Abbildung
der Prozesse passt.
Aufgabe: An der Wandtafel sollte neben Formeln und Reaktionsgleichungen auch etwas Text
stehen. Formulieren Sie einen Satz zu obenstehender Wandtafeldarstellung.
Titration zur Bestimmung der Wasserhärte:
„Die Salzsäure zersetzt die im Wasser gelösten Hydrogenkarbonate. Erst wenn alle
Hydrogenkarbonate in Chloride verwandelt sind, tritt im Wasser freie Säure auf, welche den
Farbumschlag bewirkt.“
Erklärung im 9. Schuljahr
Experimente
1. Kalk reagiert mit Säure
Demonstrationsexperiment und Arbeitsblatt von Stefan Sandriesser aus dem Experimentierkurs
HS 2011. Siehe http://fdchemie.pbworks.com im Kapitel Säure-Base-Reaktionen.
Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 9 2. WC-Ente, Putzessig und Salzsäure WC-Ente "WC-Ente forte enthält 10 % Ameisensäure. Diese ist mindestens so gut biologisch abbaubar wie Essig, entkalkt aber wirksamer." Leider steht dieser Satz heute nicht mehr auf der Packung. Jetzt verrät die Deklaration nur noch, dass das Produkt weniger als 10% Ameisensäure enthält. Putzessig enthält 9,5 % Essigsäure 2. Stinkbombe Aufgabe Chlorwasserstoff reagiert mit Eisen(II)-sulfid und ein übel riechendes Gas entweicht. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung. Schwierigkeit Die Schüler müssen erkennen, dass 2 Protonen übertragen werden und die Reaktionsgleichungen selbständig formulieren. Demonstration Empfehlung: Mit grossen Mengen Schwefelwasserstoff werden Sie nicht mehr Sympathie erhalten als mit kleinen. Ich würde nur wenig Schwefelwasserstoff erzeugen: In einem grossen Reagenzglas ein Stück Eisen(II)-sulfid mit 2 M Salzsäure überschichten und verschiedenen Schülerinnen und Schülern kurz unter die Nase halten. Allenfalls bei einem Schüler stehen lassen und fragen, wie wir die Reaktion abstellen könnten. Bald mit Natronlauge basisch stellen. Entsorgung: Basische Mischung mit Natriumthiosulfat reagieren lassen und dann in die Kanalisation leeren. Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 10 Neutralisation Inszenierung Natriumhydroxid und Chlorwasserstoff werden in Wasser gelöst und gemischt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung: Na+(aq) + OH-(aq) + HCl(aq) Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O Das heisst: Aus ätzender Natronlauge und ätzender Salzsäure entsteht Salzwasser, mit dem z. B. Teigwaren zubereitet werden können. Experiment: Natronlauge und Salzsäure mischen, Mengen aber nicht abmessen Wer will degustieren? Die Mischung jemandem aufdrängen. Halt! Warum ist das gefährlich? Wir brauchen dieselbe Stoffmenge! Experiment anpassen: Wenig Bromthymolblau zugeben, rühren und neutralisieren. Wer will degustieren? Jetzt will niemand mehr degustieren. Deshalb nehme ich einen kleinen Schluck. Notizen Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 11
Der pH-Wert Variante 1: Direkte Instruktion mit Übungen
Experiment
pH von Cola (pH 2,4), Essig (pH 2,7), Mineralwasser und und Seifenwasser messen
Auswertung:
• Der pH-Wert ist ein Mass für die
Konzentration an H3O+
• Der pH-Wert legt die Konzentra-
tion der Hydronium-Ionen fest
• Je tiefer der pH-Wert, desto
grösser ist die Konzentration
von H3O+
Definition
pH = - log[H3O+]
Der pH-Wert starker Säuren
1. Bsp. als Input vormachen. Rechnung mit
einer Skizze versehen, wie es rechts
abgebildet ist:
Wie gross ist der pH-Wert, wenn 2 g HCl in
3 Liter Wasser gelöst werden.
Selbständige Arbeit
2. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn
2 g HBr in 3 Liter Wasser gelöst werden.
3. Bsp. Wie gross ist der pH-Wert, wenn
2 g CH3COOH in 3 Liter Wasser gelöst
werden.
Amadeus Bärtsch 19. März 2021Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 12
Diskussion: Obwohl HBr eine stärkere Säure ist als HCl, ergibt sich ein höherer pH-Wert, weil die
Molekülmasse grösser ist. Auch in Essigsäure-Lösung ist der pH höher, weil sie eine schwache
Säure ist und die Voraussetzung der Berechnung nicht erfüllt ist.
Die Autoprotolyse
M. Stieger zeigt im Buch "Elemente", wie Sie die Autoprotolyse einführen könnten (S. 227, 2008)
Erkenntnis: Ionenprodukt: [H3O+] · [OH-] = 10-14 mol2·L-2
das heisst: Die Konzentrationen von H3O+ und OH- sind voneinander abhängig.
Weil sie miteinander reagieren können nie viel H3O+ und viel OH- nebeneinander in einer
Lösung existieren.
pH [H3O+] [OH-] [H3O+] · [OH-]
12 10-12 mol/L 10-2 mol/L 10-14 mol2·L-2 basisch: wenig H3O+ viel OH-
7 10-7 mol/L 10-7 mol/L 10-14 mol2·L-2 neutral: geringe Konzentrationen von
H3O+ und OH-
1 10-1 mol/L 10-13 mol/L 10-14 mol2·L-2 sauer: viel H3O+ wenig OH-
Empfehlungen
• Ich thematisiere die Autoprotolyse erst an dieser Stelle, also nach der Einführung des pH, dann
wenn das Ionenprodukt für die Berechnung der pH-Werte starker Basen nötig ist.
• Die Leitfähigkeit von reinem Wasser lässt sich nicht demonstrieren. Das Wasser ist bestimmt
nicht rein genug für diese Messung.
• pH-Berechnungen sollten meiner Meinung nach nicht allzu viel Zeit beanspruchen. Ich
beschränke mich im Grundlagenfach auf den pH-Wert starker Säuren und Basen.
Der pH-Wert starker Basen
Aufgabe: Wie gross ist der pH-Wert, wenn 4 g Natriumhydroxid in 10 Liter Wasser gelöst werden?
Tipp: Berechnungen mit Skizzen versehen. Die Skizze wird übersichtlicher, wenn die Na+-Ionen in
der Lösung weggelassen werden.
Aufgabe: Der pH-Wert einer Lösung beträgt -6.
a) Wie gross ist die Konzentration an H3O+?
b) Wie gross ist die Masse von H3O+ in einem Liter?
Erkenntnis: Der pH-Wert wird nur in verdünnten, wässrigen Lösungen gemessen.
Amadeus Bärtsch 19. März 2021Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 13 Der pH-Wert Variante 2: Einführung mit Simulation Arbeitsblatt von Renato Galli, Kantonsschule Wetzikon Sie werden mit Hilfe einer HTML5-Simulation einige Aufgaben lösen. Sollten Sie mit einer Aufgabe Schwierigkeiten haben, versuchen Sie bitte die nächste. Ich zirkuliere und komme regelmässig vorbei. Start der Simulation • Gehen Sie zur Universität von Colorado. www.bit.ly/3jv6jtY oder https://phet.colorado.edu/sims/html/ph-scale/latest/ph-scale_de.html • Wählen Sie das Menu "Makro". • Geben Sie den Messfühler in die Lösung. Aufgabe 1 Vervollständigen Sie folgende Tabelle. Probe pH-Wert Art der Lösung Milch 6.50 schwach sauer Wasser Kaffee Abflussreiniger Aufgabe 2 Wählen Sie das Menu "Mikro". Setzen Sie ein Häkchen bei „H3O+/OH- Verhältnis“. Vervollständigen Sie dann folgende Sätze. Wenn der pH-Wert steigt, steigt die Konzentration der .................. -Ionen. Wenn der pH-Wert sinkt, steigt die Konzentration der .................. -Ionen. Aufgabe 3 Vervollständigen Sie folgende Tabelle. Hinweise: ① [H3O+] = Konzentration von H3O+, ② – log[H3O+] = Minus Logarithmus der Konzentration von H3O+, ③ Logarithmus ist eine Funktion auf Ihrem Taschenrechner. Probe [H3O+] - log[H3O+] pH-Wert Hühnerbrühe Orangensaft Aufgabe 4 Was fällt bei der Tabelle von Aufgabe 3 auf? Aufgabe 5 Vervollständigen Sie folgenden Satz. In Orangensaft hat es ...................... H3O+-Ionen als in Hühnerbrühe. Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 14 Aufgabe 6 Wählen Sie das Menu "Meine Lösung". Setzen Sie ein Häkchen bei „H3O+/OH- Verhältnis“. Vervollständigen Sie folgende Tabelle. Hinweis: Berechnen Sie in der letzten Spalte das Produkt von [H3O+] und [OH-] pH-Wert [H3O+] [OH-] [H3O+] • [HO-] 1.0 2.7 7.0 9.5 13.0 Aufgabe 7 Was fällt bei der Tabelle von Aufgabe 6 auf? Aufgabe 8 Vergleichen Sie die Konzentrationen von [H3O+] und [OH-] In einer sauren Lösung ist die Konzentration der [H3O+]-Ionen .............................................. In einer neutralen Lösung ist die Konzentration der [H3O+]- Ionen ......................................... In einer basischen Lösung ist die Konzentration der [H3O+]- Ionen ......................................... Wenn Sie fertig sind, können Sie vorne ein Blatt mit Aufgabe 9 holen. Aufgabe 9 Wählen Sie das Menu "Mikro". Wie gross ist der pH-Wert von 0,5 L Batteriesäure? .......... Wie gross ist der pH-Wert von 0,1 L Batteriesäure? .......... Warum ändert sich der pH-Wert, wenn Wasser zugegeben wird? Wie viel Wasser muss zugegeben werden, damit der pH-Wert auf 2 steigt? .......... Bitte erklären Sie das Resultat. Reflexion: Was bringt die Simulation und das Arbeitsblatt? Amadeus Bärtsch 19. März 2021
Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 15
Indikatoren
Bsp. Bromthymolblau
Aufgabe: Worin unterscheiden sich die beiden Formen?
Br Br
O O
O H O
H H
Br Br
O
O
S O S
O
O
O
gelb blau
Vereinfachung:
C27H28Br2O5S C27H27Br2O5S –
HIn In -
oder: HIn + H2O In - + H3O+ Le Châtelier erklärt den Farbumschlag
Erkenntnisse
• Indikatoren reagieren als Säure oder Base
• Bromthymolblau kommt in zwei Formen vor, die sich in der Farbe unterscheiden, weil die
konjugierten Doppelbindungen verändert werden.
Säuren reagieren mit Wasser zu H3O+und protonieren die negativ geladene Form des Indikators:
Demonstration:
Gelbe Zettel mit HIn und blaue
Zettel mit In– anschreiben.
Immer einen gelben und blauen
Zettel aufeinander legen und mit
einem Magneten an der Tafel
befestigen. So kann der
Farbumschlag erklärt werden.
Basen erzeugen OH- und reagieren mit HIn:
Amadeus Bärtsch 19. März 2021Fachdidaktik Chemie ETH Säure-Base-Reaktionen S. 16 Puffer Demonstration 1) 100 ml deion. Wasser, Methylorange, 0,1 M Salzsäure zugeben: 8 Tropfen bis Farbumschlag 2) 10 ml 1 M Essigsäure, 10 ml 1 M Natriumacetat-Lösung und 80 ml deion. Wasser, Methyloran- ge, 0,1 M Salzsäure zuerst zutropfen, nachher grosszügiger: ungefähr 100 ml bis Farbumschlag Lehrperson erklärt die Beobachtung mit Skizze und wenig Text. 3) 100 ml deion. Wasser, Bromthymolblau, 0,1 M Natronlauge zugeben: 8 Tropfen bis Farbumschlag 4) 10 ml 1 M Essigsäure, 10 ml 1 M Natriumacetat-Lösung und 80 ml deion. Wasser , Bromthymolblau, 0,1 M Natronlauge zuerst zutropfen, nachher grosszügiger: ungefähr 100 ml bis Farbumschlag SuS erklären und skizzieren diesen Teil selbständig Erklärung Da wir bei der Zugabe einer Säure oder einer Base keine pH-Änderung beobachten können, heisst es, dass diese von den Komponenten der Pufferlösung neutralisiert werden. Auftrag: Vereinfachen Sie die Abbildung rechts und entwerfen Sie eine Wandtafeldarstellung, welche die Wirkung von Puffern erklärt. Abbildung aus R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim (1981) Amadeus Bärtsch 19. März 2021
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