Stärke von Säuren und Basen

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Stärken von Säuren und Basen". Das Video gehört zur Reihe "Säuren und Basen". Als Vorkenntnisse solltet Ihr die Säure-Base-Definition nach Brönsted beherrschen und anwenden können. Ihr solltet auch gut vertraut sein mit dem Begriff der "konjugierten Säure-Base-Paare". Ziel des Videos ist es, Verständnis für die Säurekonstante, die Basenkonstante, den pKS-Wert, den pKB-Wert und den Zusammenhang mit den Stärken von Säuren und Basen zu entwickeln. Das Video ist in 4 Abschnitte unterteilt: 1. Säurekonstante und Basenkonstante 2. pKS-Wert und pKB-Wert 3. pKS-Wert und pKB-Wert hängen zusammen 4. pKS-Wert einiger Säure-Base-Paare

1. Säurekonstante und Basenkonstante Betrachten wir zunächst die Dissoziation einer Säure HA in wässriger Lösung. Dann stehen die Teilchen HA der Säure mit den Wasserteilchen im Gleichgewicht mit den Hydronium-Ionen und den Anionen A-. Eine Base B soll in wässriger Lösung gegenüber Wasserteilchen als Elektronenakzeptor wirken. Dann stehen die Teilchen der Base B mit den Wasserteilchen im Gleichgewicht mit den protonierten Baseteilchen BH+ und den Hydroxid-Ionen OH-. Beide Gleichgewichtsreaktionen lassen sich durch das Massenwirkungsgesetz MWG beschreiben. Die Gleichgewichtskonstante ergibt sich jeweils als Quotient aus den Produkten der Konzentrationen der Reaktionsprodukte und der Edukte. Die reaktiven Teilchen, die Säure und die Base, liegen meist in verdünnter Form vor. Daher ist die Konzentration des Wassers gegenüber diesen Teilchen relativ hoch. In guter Näherung kann man die Konzentration des Wassers als konstant annehmen. Wir beziehen die konstante Konzentration des Wassers mit in die Gleichgewichtskonstante ein. Demzufolge können wir schreiben: KS ist gleich: Konzentration der Hydronium-Ionen mal Konzentration der negativ geladenen Ionen A-, dividiert durch die Konzentration der Säureteilchen HA. Die neue Gleichgewichtskonstante KS bezeichnet man als Säurekonstante. Genauso verfährt man bei der Base. Nur ist hier K mal Konzentration des Wassers gleich KB. KB ist somit: Konzentration von BH+ mal Konzentration von OH-, dividiert durch Konzentration von B. KB wird als Basenkonstante bezeichnet. Säurekonstante und Basenkonstante liefern jeweils Auskunft über die Stärken von Säuren und Basen. HCL, Salzsäure, hat eine Säurekonstante von 10 hoch 6. Es handelt sich somit um eine starke Säure. CH3COOH, Essigsäure, hat eine Säurekonstante von 10 hoch -5. Es handelt sich somit um eine schwache Säure. Guanidin hat eine Basenkonstante von 10. Es handelt sich somit um eine starke Base. Ammoniak, NH3, hat eine Basenkonstante von 10 hoch -5. Ammoniak ist eine schwache Base.

2. pKS-Wert und pKB-Wert Bei Säurekonstanten und Basenkonstanten hat man es häufig mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen zu tun. Um dieser Unbequemlichkeit aus dem Wege zu gehen, hat man 2 sehr wichtige Definitionen eingeführt. Man definiert: pKS=-lgKS sowie pKB=-lgKB. Es handelt sich um negative dekadische Logarithmen. Die Analogie zum PH-Wert ist offenkundig. Schauen wir uns nun die Werte für pKS einmal an. Für Salzsäure, HCL, erhält man entsprechend des Exponenten 6 und des negativen Vorzeichens einen Wert von -6. Entsprechend ergibt sich für CH3COOH, Essigsäure, ein pKS-Wert von 5. Kleine pKS-Werte wie -6 weisen auf eine starke Säure hin. Große, positive Werte hingegen, wie 5, zeigen an, dass es sich um eine schwache Säure handelt. Guanidin hat einen pKB-Wert von -1. Es ist somit eine starke Base. Entsprechend lässt sich nach den Logarithmen-Gesetzen der pKB-Wert für Ammoniak bestimmen. Er beträgt, das habt ihr sicher schon ermittelt, 5. Bei Ammoniak handelt es sich um eine schwache Base.

3. pKS-Wert und pKB-Wert hängen zusammen Wir wollen den pKS-Wert und den pKB-Wert für ein konjugiertes Säure-Base-Paar betrachten. Beim konjugierten Säure-Base-Paar unterscheidet sich die Säure von der Base nur durch ein Proton. Also, HA steht im Gleichgewicht zu H+ plus A-. A- ist somit die konjugierte Base zur Säure HA. Somit müssen wir die rechte Seite der rechten unteren Gleichung umschreiben. Wir haben hier also BH+ zu ersetzen durch HA. Genauso ist B zu ersetzen durch A-.  Wir schreiben: KS mal KB ist gleich - und wir setzen auf der rechten Seite die rechten Seiten der beiden unteren Gleichungen ein. Die Konzentrationen von A- kürzen sich gegeneinander. Die Konzentrationen von HA kann man ebenfalls gegeneinander kürzen. Auf der rechten Seite bleibt stehen das Produkt der Konzentrationen der Hydronium-Ionen und der Hydroxid-Ionen. Wir logarithmieren beide Seiten der Gleichung. Links verwenden wir das Logarithmen-Gesetz für das Produkt und erhalten sofort lgKS+lgKB. Auf der rechten Seite setzen wir zunächst einfach den Logarithmus an: lg von H3O+ Konzentration mal OH- Konzentration. Das Produkt beider Konzentrationen ist, wie wir bereits wissen, genau das Ionenprodukt des Wasser, abgekürzt KW, also ist gleich lgKW=lg10 hoch -14. Somit ergibt sich auf der rechten Seite -14. Wir multiplizieren diesen Wert mit -1. Somit erhalten wir: -lgKS+(-lgKB)=14. Wir haben somit einen Zusammenhang zwischen pKS und pKB erhalten: pKS+pKB=14. In der obigen Gleichung erhalten wir: KS×KB=10 hoch -14, nämlich genau das Ionenprodukt des Wassers.  

4. pKS-Werte einiger Säure-Base-Paare Ich erinnere, ist der pKS-Wert kleiner als 0, so handelt es sich um eine starke Säure. Ist der pKS-Wert erheblich größer als 0, handelt es sich um eine schwache Säure. Ich möchte nun einige pKS-Werte für starke, mittelstarke und auch schwache Säuren aufführen. Dafür möchte ich den Säurecharakter abschätzen, den pKS-Wert notieren, das konjugierte Säure-Base-Paar in Formeln aufschreiben und die entsprechenden Namen notieren. Zunächst beginnen wir mit den starken Säuren. Eine Säure hat einen pKS-Wert von -6. Es handelt sich um das Säure-Base-Paar HCL/CL-, um Chlorwasserstoff/Chlorid. Mit pKS von -3 ist die Säure immer noch stark. Es handelt sich um das Säure-Base-Paar H2SO4/HSO4-. Mit Namen sind das Schwefelsäure und Hydrogensulfat. Auch bei pKS von -1,7 haben wir es mit einer starken Säure zu tun. Das Säure-Base-Paar heißt H3O+ und H2O. Ihr wisst schon, welche Namen das sind. Das Hydronium-Ion und Wasser. Einen pKS-Wert von -1,3 hat HNO3. Das konjugierte Säure-Base-Paar lautet HNO3/NO3-. Die Namen lauten: Salpetersäure, Nitrat. Bei einer weiteren Erhöhung des pKS-Wertes bis auf 2, gelangen wir bereits zu den mittelstarken Säuren. Ich habe ein Beispiel ausgewählt, das Säure-Base-Paar H3PO4/H2PO4-. Mit Namen sind das Phosphorsäure und Dihydrogenphosphat. Wir kommen nun zu den schwachen Säuren. Der erste Vertreter hat einen pKS-Wert von 4,8. Das Säure-Base-Paar heißt CH3COOH/CH3COO-. Die Namen lauten: Essigsäure, Acetat. Ein pKS von 6,4 deutet darauf hin, dass die Säure noch schwächer ist. Das Säure-Base-Paar ist H2CO3/HCO3-. Die Namen lauten: Kohlensäure, Hydrogencarbonat. Hinter Kohlensäure habe ich "CO2" in Klammern gesetzt. Ich möchte darauf hinweisen, dass der Prozess nicht so einfach abläuft, wie bei den anderen Reaktionen. Noch schwächer ist die nächste Säure mit pKS von 7,1. Das Säure-Base-Paar ist H2S und HS-. Die entsprechenden Teilchen heißen: Schwefelwasserstoff und Hydrogensulfid. Wir sind nun bereits bei den sehr schwachen Säuren angelangt, darauf deutet ein pKS-Wert von 9,4 hin. Er gehört zum Säure-Base-Paar HCN/CN-. Dabei handelt es sich um die hochgiftige Blausäure und ihr Cyanid-Ion. Und schließlich kommen wir zu einer Verbindung, die wir gar nicht mehr als Säure bezeichnen, sie hat einem pKS-Wert von 15,7. Das Säure-Base-Paar ist H2O/OH-, also Wasser und das Hydroxid-Ion.

Für eine erste Übersicht sollte das reichen. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.