| Säure | \(\mathrm{p}K_S\) | Säure | \(\mathrm{p}K_S\) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{HCl}\) | −6 | \(\ce{CH3COOH}\) | 4,75 |
| \(\ce{HF}\) | 3,14 | \(\ce{H2PO4-}\) | 7,20 |
| \(\ce{HCOOH}\) | 3,75 | \(\ce{NH4+}\) | 9,25 |
\(K_W=1{,}0\cdot10^{-14}\,\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\) · \(M(\ce{CH3COOH})=60{,}05\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) · alle Angaben bei 25 °C · Indikatoren: Methylorange 3,1–4,4; Methylrot 4,4–6,2; Bromthymolblau 6,0–7,6; Phenolphthalein 8,2–10,0 · Taschenrechner: GTR (Casio fx-CG50) oder CAS (TI-Nspire CX CAS)
Geben Sie Zahlen mit Komma ein; Vorzeichen beachten. Die Lösungen werden nach dem Auswerten freigeschaltet.
Wissen und Reproduzieren
18 Punkte(1) \(\ce{HSO4- + H2O}\) \(\ce{<=> SO4^2- + H3O+}\)
(2) \(\ce{HCO3- + H3O+}\) \(\ce{-> H2CO3 + H2O}\)
(3) \(\ce{CH3COO- + H2O}\) \(\ce{<=> CH3COOH + OH-}\)
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Erwartungshorizont: a) \(\ce{CH3COOH}/\ce{CH3COO-}\) (unterscheiden sich um ein Proton) (2 P). b) \(\ce{HSO4-}\) gibt ein Proton ab → Säure; \(\ce{HCO3-}\) nimmt eins auf → Base; \(\ce{H2O}\) gibt in (3) eins ab → Säure (3 P). c) \(c(\ce{OH-})=\dfrac{10^{-14}}{5{,}0\cdot10^{-5}}=2{,}0\cdot10^{-10}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). d) richtig: Ionen auch in reinem Wasser; \(K_W\) gilt überall. Falsch: \(c(\ce{OH-})\) ist in Salzsäure klein, aber nicht null; \(K_W\) steigt beim Erwärmen (endotherm) (2 P).
Salzsäure: \(c_0=0{,}0020\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) · Natronlauge: \(c_0=0{,}0030\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) · eine Fruchtsaftprobe hat pH \(4{,}6\).
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Erwartungshorizont: a) starke Säure: \(\mathrm{pH}=-\lg0{,}0020\approx2{,}70\) (2 P). b) \(\mathrm{pOH}=-\lg0{,}0030\approx2{,}52\); \(\mathrm{pH}=14-2{,}52=11{,}48\) (2 P). c) \(c(\ce{H3O+})=10^{-4{,}6}\approx2{,}5\cdot10^{-5}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). d) Je kleiner \(\mathrm{p}K_S\), desto stärker: \(\ce{NH4+}\) (9,25) < \(\ce{CH3COOH}\) (4,75) < \(\ce{HF}\) (3,14) < \(\ce{HCl}\) (−6) (3 P).
Zusammenhänge herstellen
22 PunkteAuf dem Etikett einer Essigessenz steht „25 g Essigsäure in 100 mL“. \(5{,}00\,\mathrm{mL}\) Essigessenz werden im Messkolben mit Wasser auf \(100{,}0\,\mathrm{mL}\) aufgefüllt (1 : 20). \(10{,}0\,\mathrm{mL}\) dieser Lösung werden mit Natronlauge (\(c=0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) titriert. Bürettenstand am Anfang: \(0{,}35\,\mathrm{mL}\); beim bleibenden Farbumschlag: \(21{,}15\,\mathrm{mL}\).
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Erwartungshorizont: a) \(V=21{,}15-0{,}35=20{,}80\,\mathrm{mL}\) (2 P). b) \(c=\dfrac{0{,}100\cdot20{,}80}{10{,}0}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}=0{,}208\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). c) Verdünnung 1 : 20: \(c=20\cdot0{,}208=4{,}16\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). d) \(\beta=4{,}16\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\cdot60{,}05\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\approx250\,\mathrm{g\,L^{-1}}\) = 25 g in 100 mL → Etikett stimmt (3 P). e) Essigsäure ist schwach, am ÄP liegt Acetat (schwache Base) vor → ÄP und Sprung im Basischen → Phenolphthalein (3 P).
\(25{,}0\,\mathrm{mL}\) Essigsäure unbekannter Konzentration werden mit Natronlauge (\(c=0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) titriert; der pH-Wert wird mit einer pH-Elektrode gemessen.
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Erwartungshorizont: a) Wendepunkt in der Mitte des Sprungs bei \(20{,}0\,\mathrm{mL}\) (2 P). b) \(c_0=\dfrac{0{,}100\cdot20{,}0}{25{,}0}=0{,}080\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\) (2 P). c) HÄP bei \(10{,}0\,\mathrm{mL}\): pH \(\approx4{,}75=\mathrm{p}K_S\) (2 P). d) \(\mathrm{pH}=\tfrac12\,(4{,}75-\lg0{,}080)=\tfrac12\,(4{,}75+1{,}10)\approx2{,}92\) — passt zum Kurvenstart (2 P). e) 10 mL: Halbäquivalenzpunkt; 20 mL: Äquivalenzpunkt (im Basischen, da Acetat vorliegt) (2 P).
Verallgemeinern und Reflektieren
10 PunkteZum Kalibrieren von pH-Metern verwendet man eine Lösung, die Natriumdihydrogenphosphat (\(\ce{NaH2PO4}\)) und Natriumhydrogenphosphat (\(\ce{Na2HPO4}\)) in gleicher Stoffmenge enthält (je \(0{,}025\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)).
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Erwartungshorizont: a) \(n(\ce{H2PO4-})=n(\ce{HPO4^2-})\) → \(\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_S=7{,}20\) (2 P). b) Die Pufferbase \(\ce{HPO4^2-}\) nimmt \(\ce{H3O+}\) auf, die Puffersäure \(\ce{H2PO4-}\) gibt ein Proton an \(\ce{OH-}\) ab; \(\ce{Na+}\) ist Begleit-Ion (2 P). c) Ein Puffer braucht eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base; \(\ce{HCl}\) ist stark, \(\ce{Cl-}\) als Base extrem schwach (\(\mathrm{p}K_B=20\)) — zugegebene Säure bliebe frei (2 P).
Eine Salzsäure und eine Essigsäure werden jeweils auf das Zehnfache verdünnt. Der pH-Wert der Salzsäure steigt dabei um genau 1.
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Erwartungshorizont: a) \(\Delta\mathrm{pH}=\tfrac12\,(-\lg\tfrac{c_0}{10}+\lg c_0)=\tfrac12\cdot1=0{,}5\) (2 P). b) \(c(\ce{H3O+})\) sinkt nur auf etwa ein Drittel (\(10^{-0{,}5}\)), weil sich das Protolysegleichgewicht nach rechts verschiebt und der Protolysegrad steigt; \(\mathrm{p}K_S\) ist eine Konstante, die Säure bleibt schwach (2 P).
Ergebnis
| Aufgabe | Thema | Punkte |
|---|
Bewertung in Notenpunkten
| Punkte | Notenpunkte | Beurteilung |
|---|---|---|
| 48 – 50 P | 15 | sehr gut |
| 45 – 47 P | 14 | sehr gut |
| 43 – 44 P | 13 | sehr gut |
| 40 – 42 P | 12 | gut |
| 38 – 39 P | 11 | gut |
| 35 – 37 P | 10 | gut |
| 33 – 34 P | 9 | befriedigend |
| 30 – 32 P | 8 | befriedigend |
| 28 – 29 P | 7 | befriedigend |
| 25 – 27 P | 6 | ausreichend |
| 23 – 24 P | 5 | ausreichend |
| 20 – 22 P | 4 | ausreichend |
| 17 – 19 P | 3 | mangelhaft |
| 14 – 16 P | 2 | mangelhaft |
| 10 – 13 P | 1 | mangelhaft |
| 0 – 9 P | 0 | ungenügend |