5 Stärke von Säuren und Basen
5.1 Starke, schwache und sehr schwache Säuren
Versuch
Die pH-Werte drei verschiedener wässriger Lösungen gleicher Konzentration werden mit einem kalibriertem pH-Meter oder gegebenenfalls Indikatorpapier bestimmt.

	Lösung	c	pH
(i)	Salzsäure	0,1 mol · L−1
(ii)	Ethansäure	0,1 mol · L−1
(iii)	Ethanol	0,1 mol · L−1

Der pH-Wert der Salzsäure-Lösung ist _________ als der der Ethansäure-Lösung. Der pH-Wert der Ethanol-Lösung ist _________.

Erklärungen
(i) Der pH-Wert entspricht einer H₃O⁺-Konzentration von ungefähr 0,1 mol/L ( = c₀(HCl)).

	HCl(aq)	+	H2O(l)	→	H3O+(aq)	+	Cl−(aq)
c0	0,1 mol · L−1				10−7 mol · L−1 ≈ 0*		0 mol · L−1
	−x				+x		+x
c					0,1 mol · L−1

^{* Die Ausgangskonzentration der Oxonium-Ionen von 10−7 mol/L ist so gering, dass sie für die Berechnungen in Anbetracht der viel höheren Konzentration am Ende mit 0 gleichgesetzt werden kann.}
Die Auswertung ergibt für x 0,1 mol/L. Folglich ist die Protolyse vollständig. Alle HCl-Moleküle haben mit Wasser zu H₃O⁺-Ionen (der stärksten im Wasser möglichen Säure, nivellierender Effekt des Wassers) und einem Rest-Ion reagiert.

Säuren die mit Wasser eine vollständige Protolyse eingehen werden als starke Säuren bezeichnet.

(ii) Der pH-Wert entspricht einer H₃O⁺Konzentration von ungefähr 0,001 mol/L ( << c₀(CH₃COOH)). Diese ist viel geringer als jene der Essigsäure.

	CH3COOH(aq)	+	H2O(l)	⇌	H3O+(aq)	+	CH3COO−(aq)
c0	0,1 mol·L−1				10−7 mol·L−1 ≈ 0*		0 mol·L−1
	−x				+x		+x
c					0,001 mol·L−1

^{* Auch für die Essigsäure gilt, dass die Ausgangskonzentration der Oxonium-Ionen von 10−7 mol/L für die Berechnungen in Anbetracht der viel höheren Konzentration am Ende mit 0 gleichgesetzt werden kann.}
Die Auswertung ergibt für x ungefähr 0,001 mol·L⁻¹. Folglich ist die Protolyse unvollständig. Nur ein Teil, etwa ein Hundertstel der Essigsäure-Moleküle, sind zu Acetat umgesetzt.

Säuren die mit Wasser eine unvollständige Protolyse eingehen, bei der sich ein Gleichgewicht einstellt, werden als schwache Säuren bezeichnet.

(iii) Der pH-Wert entspricht einer H₃O⁺-Konzentration von 10⁻⁷ mol/L (reines Wasser).

	CH3CH2OH(aq)	+	H2O(l)		H3O+(aq)	+	CH3CH2O−(aq)
c0	0,1 mol·L−1				10−7 mol·L−1 *		0 mol·L−1
	−x				+x		+x
c					10−7 mol·L−1

^{* Die Ausgangskonzentration kann nicht vernachlässigt werden.}
Die Konzentration an Oxonium-Ionen bleibt unverändert. Es findet keine Protolyse statt. Alkohol reagiert nicht als Säure mit Wasser.

Säuren, die mit Wasser keine Protolyse eingehen, werden als sehr schwache Säuren bezeichnet. Diese Stoffe werden in wässriger Lösung nicht als Säuren betrachtet.

5.2 Starke, schwache und sehr schwache Basen
Die Definitionen von starken, schwachen und sehr schwachen Basen beruhen auf der Protolyse mit Wasser analog zu denen der Säuren.

-	Sehr schwache Base Eine starke Säure wie Salzsäure HCl(aq) protolysiert vollständig in Wasser, die korrespondierende Base Cl−(aq) ist eine sehr schwache Base, welche keine Reaktion mit Wasser eingeht.
-	Schwache Base Eine schwache Säure wie Essigsäure CH3COOH(aq) protolysiert teilweise in Wasser, die korrespondierende Base CH3COO−(aq) ist eine schwache Base. Ein Salz dieser Base geht nur teilweise eine Reaktion mit Wasser ein.
-	Starke Base Eine sehr schwache Säure wie Ethanol CH3CH2OH(aq) geht keine Reaktion mit Wasser ein, die korrespondierende Base CH3CH2O−(aq) ist eine sehr starke Base, welche eine vollständige Reaktion mit Wasser eingeht.

Protolyse mit Wasser

korrespondierendes Säure-Base-Paar Säure Base

Protolyse mit Wasser

vollständig stark Gleichgewicht schwach keine sehr schwach

sehr schwach keine schwach Gleichgewicht stark vollständig

5.3 Die Säurekonstante schwacher Säuren
Gleichung der Protolyse einer schwachen Säure HA in Wasser:
HA(aq)  +  H₂O(l)  ⇌  H₃O⁺(aq)  +   A⁻(aq)

KS ist die Gleichgewichtskonstante für die Protolyse einer schwachen Säure mit Wasser und hängt ausschließlich von der Temperatur und der betrachteten Säure ab. Sie ist ein Maß für die Stärke der Säure. Im Gleichgewicht entspricht sie dem Ausdruck:
KS =	c(H3O+) · c(A−)   c(HA)
Analog zum pH-Wert wird der pKS-Wert definiert: pKS = -log(KS)         ⇔         KS = 10−pKS mol·L−1

Aufgaben
1. Geben Sie die Gleichung der Protolyse der schwachen Säure BH⁺ an. Stellen Sie den Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K auf. Erklären Sie, wie man von K ausgehend, den Ausdruck für die Säurekonstante K_S aufstellen kann.

5.4 Die Basekonstante schwacher Basen
Allgemein gilt für eine schwache Base B:
B(aq)  +  H₂O(l)  ⇌  BH⁺(aq)  +  OH⁻(aq)

KB ist die Gleichgewichtskonstante für die Protolyse einer schwachen Base mit Wasser und hängt ausschließlich von der Temperatur und der betrachteten Base ab. Sie ist ein Maß für die Stärke der Base. Im Gleichgewicht entspricht sie dem Ausdruck:
KB =	c(BH+) · c(OH−)   c(B)
Der pKB-Wert ist definiert als: pKB = -log(KB)         ⇔         KB = 10−pKB mol·L−1

Aufgaben
1. Geben Sie die Gleichung der Protolyse der schwachen Base B⁻ an. Stellen Sie den Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K auf. Erklären Sie, wie man von K ausgehend, den Ausdruck für die Basekonstante K_B aufstellen kann.






2. Ordnen Sie folgende Basen nach absteigender Basenstärke: Anilin (pK_B = 9,42); Fluorid (pK_B = 10,83); Acetat (K_B = 5,6·10⁻¹⁰ mol/L); Sulfat (K_B = 8,3·10⁻¹³ mol/L). 

5.5 Beziehung zwischen pK_S und pK_B
Die Säure- und Basenstärke eines korrespondierenden Säure-Base Paares sind voneinander abhängig. Je stärker die Säure umso schwächer ist die korrespondierende Base. Es gibt eine Beziehung zwischen K_S und K_B.

HA

+

H2O

⇌

H3O+

+

A−

KS =

c(H3O+) · c(A−)   c(HA)

A−

+

H2O

⇌

HA

+

OH−

KB =

c(HA) · c(OH−)   c(A−)

KS · KB =

c(H3O+) · c(A−)   c(HA)

·

c(HA) · c(OH−)   c(A−)

= c(H3O+) · c(OH−) = Kw

K_S · K_B = K_w
pK_S + pK_B = pK_W

Ausschließlich für korrespondierende Säuren und Basen gilt pKS + pKB = pKW Stärkere Säuren haben schwächere korrespondierende Basen.

Aufgabe
Butansäure oder Buttersäure, CH₃CH₂CH₂COOH, ist eine farblose, sehr bewegliche und wasserlösliche Flüssigkeit. Sie ist verantwortlich für den unangenehmen Geruch von Erbrochenem oder ranziger Butter. Ihr pK_S-Wert beträgt 4,82. Geben Sie die Formel der korrespondierenden Base an und berechnen Sie ihre Basekonstante.  

pKS	Säure	korrespondierende Base	pKB
	starke Säuren, vollständige Protolyse	sehr schwache Basen, keine Protolyse
	H3O+	H2O
	schwache Säuren, unvollständige Protolyse, Bildung eines Gleichgewichts Je kleiner pKS desto - stärker die Säure - schwächer die korrespondierende Base - größer pKB	schwache Basen, unvollständige Protolyse, Bildung eines Gleichgewichts Je kleiner pKB desto - stärker die Base - schwächer die korrespondierende Säure - größer pKS
	H2O	OH−
	sehr schwache Säuren, keine Protolyse	starke Basen, vollständige Protolyse

Aufgaben
1. Geben Sie an, welche Teilchen in folgenden wässrigen Lösungen gelöst sind. Erstellen Sie ggf.die Protolyse-, bzw. die Lösungsgleichung.  
(a) Salzsäurelösung




(b) Essigsäure




(c) Formiat-Ion




(d) Natronlauge




(e) Ammoniaklösung




(f) Oxid-Ion





2. Eine Propansäurelösung hat einen pH-Wert von 2,59. Die Ausgangskonzentration beträgt c₀(CH₃CH₂COOH(aq)) = 0,50 mol/L. Geben Sie die Protolysegleichung an und berechnen Sie K_S und pK_S.      

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