Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted
Zielsetzung: Das Arbeitsheft vermittelt die theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungen der Säure-Base-Chemie nach dem Brønsted-Modell. Die Lernenden sollen die Konzepte der Protonenübertragung verstehen, den pH-Wert und das Verfahren der Titration beherrschen sowie ihr Wissen auf ein komplexes Realszenario (Umweltskandal) anwenden.
Inhalte und Methoden: Die Vermittlung kombiniert Fachtexte, mathematische Berechnungen und experimentelle Laborarbeit, indem zunächst die Brønsted-Theorie mit der Definition von Säuren als Protonendonatoren und Basen als Protonenakzeptoren sowie der pH-Wert und Neutralisationsreaktionen erarbeitet werden. Darauf aufbauend lernen die Schüler:innen das Titrationsverfahren zur Bestimmung unbekannter Konzentrationen kennen und wenden es praktisch in verschiedenen Experimenten an. Abschließend wird das Wissen in einer anwendungsorientierten Fallstudie zur Analyse einer Gewässerverschmutzung genutzt und vertieft.
Kompetenzen:
- Fachwissen: Anwendung des Brønsted-Konzepts zur Beschreibung chemischer Reaktionen und Beherrschung der pH-Metrie
- Erkenntnisgewinnung: Planung, Durchführung und Auswertung chemischer Experimente unter Einhaltung strenger Sicherheitsvorgaben (H- und P-Sätze)
- Transfer- und Bewertungskompetenz: Mathematische Herleitung von Stoffmengenkonzentrationen und Beurteilung ökologischer Folgen chemischer Unfälle
Zielgruppe und Niveau: Ab Klasse 10
Tipp: Jedes Experiment kann bearbeitet und mit dem KI-Generator angepasst werden, falls es beim Erstellen nicht erscheint.
Didaktische Variation: Das Arbeitsblatt kann als Gruppenpuzzle genutzt werden, bei dem verschiedene Gruppen unterschiedliche Experimente bearbeiten. Die Ergebnisse werden anschließend im Plenum vorgestellt und zusammengeführt. Optional dokumentieren die Gruppen ihre Experimente per Video, um Ablauf und Erkenntnisse anschaulich zu präsentieren.
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ab Klasse 10
Subjects
Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted
Umweltskandal!!!
Ein Umweltskandal ist geschehen!!! Doch die genauen Hintergründe sind noch unklar. Dieses Arbeitsblatt gibt euch die Möglichkeit, durch eigene Untersuchungen wichtige Hinweise zu sammeln und herauszufinden, was wirklich passiert ist.
Grundlagen der Brønsted-Theorie
- Lies dir den Informationstext zu Brønsted-Säuren und -Basen aufmerksam durch.
- Beantworte anschließend die folgenden Fragen zu den zentralen Begriffen der Protonenübertragung in deinen eigenen Worten
Brønsted-Säuren und Brønsted-Basen
Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonen-Donator. Das bedeutet, eine Brønsted-Säure ist ein Stoff, der ein Proton (H⁺) an einen anderen Stoff abgeben kann. Eine Base ist ein Protonen-Akzeptor, also ein Stoff, der ein Proton aufnehmen kann.
Bei jeder Säure-Base-Reaktion wird ein Proton von der Säure (Protonen-Donator) zur Base (Protonen-Akzeptor) übertragen. Säure und Base treten dabei immer als Paar auf.
Brønsted-Säuren: Ein wichtiges Beispiel ist die Salzsäure (HCl). In wässriger Lösung gibt HCl sein Proton vollständig an Wasser ab. Dabei entsteht aus HCl das Chlorid-Ion Cl⁻ und aus H₂O das Oxonium-Ion H₃O⁺. Salzsäure ist deshalb eine starke Säure, weil sie ihr Proton nahezu vollständig abgibt. Sie ist ein sehr guter Protonen-Donator.
Ein weiteres Beispiel ist Schwefelsäure (H₂SO₄). Sie kann in Wasser sogar zwei Protonen abgeben. Dabei entstehen schrittweise Hydrogensulfat-Ionen (HSO₄⁻) und anschließend Sulfat-Ionen (SO₄²⁻). Schwefelsäure ist ebenfalls eine starke Brønsted-Säure und ein besonders wirksamer Protonen-Donator, weil sie mehr als ein Proton abgeben kann.
Die Fähigkeit einer Brønsted-Säure, Protonen abzugeben, nennt man Säurestärke. Je stärker die Säure, desto vollständiger gibt sie ihre Protonen an einen Protonen-Akzeptor ab.
Brønsted-Basen: Eine Brønsted-Base ist ein Protonen-Akzeptor. Ammoniak (NH₃) ist eine schwache Base, weil es nur einen Teil der möglichen Protonen aus Wasser aufnimmt. NH₃ nimmt ein Proton auf und wird zum Ammonium-Ion NH₄⁺, während aus Wasser das Hydroxid-Ion OH⁻ entsteht. Ammoniak ist also ein eher schlechter Protonen-Akzeptor.
Natronlauge enthält Natriumhydroxid (NaOH). In Wasser zerfällt NaOH vollständig in Na⁺ und OH⁻. Das OH⁻-Ion kann leicht ein Proton aufnehmen und wird zu Wasser. Natronlauge ist daher eine starke Brønsted-Base und ein sehr guter Protonen-Akzeptor.
Vertiefung und chemisches Verständnis
Nutze den Grundlagentext, um die Vorgänge beim Mischen von Säuren mit Wasser zu erklären. Begründe mithilfe der Protonenabgabe und -aufnahme, warum Säuren und Basen immer paarweise auftreten.
Der pH-Wert und Neutralisation
Der pH-Wert misst, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Ein Wert unter 7 zeigt eine saure Lösung an, über 7 eine basische. Reines Wasser hat einen neutralen pH-Wert von 7. Starke Säuren wie Salzsäure haben einen niedrigen pH-Wert, starke Basen wie Natronlauge einen hohen pH-Wert.
Indikatoren können den pH-Wert sichtbar machen, indem sie je nach pH-Wert ihre Farbe ändern. Methylorange ist in sauren Lösungen rot und in basischen gelb.
Neutralisation: Bei der Neutralisation reagieren Säure und Base miteinander. Die H⁺-Ionen der Säure und die OH⁻-Ionen der Base bilden Wasser. Zusätzlich entsteht ein Salz aus den restlichen Ionen. Beispiel: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Der pH-Wert der Lösung nähert sich dabei 7 an.
Wichtige Informationen zur Titration
Die Titration ist ein chemisches Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer unbekannten Lösung durch Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration. Dabei tropft man die Maßlösung aus einer Bürette in die Probe, oft in einem Erlenmeyerkolben, bis der Äquivalenzpunkt erreicht ist. Ein Indikator zeigt diesen Punkt durch einen Farbumschlag an.
Bei der Säure-Base-Titration neutralisiert die Base die Säure. Die Titrationskurve zeigt den pH-Wert in Abhängigkeit vom Volumen. Am Äquivalenzpunkt steigt der pH-Wert stark an.
Die Stoffmenge der Maßlösung berechnet man mit der Formel n = c · V, wobei c die Konzentration und V das Volumen ist. Am Äquivalenzpunkt sind die Stoffmengen von Base und Säure gleich.
Nach dem Farbumschlag liest man das Volumen ab und berechnet die Konzentration der unbekannten Lösung. Titrationen sind auch für andere Reaktionen wie Fällungs- oder Redoxreaktionen einsetzbar.
Experimentelle Untersuchung
Gruppenarbeit
- Bildet Gruppen aus jeweils vier Personen.
- Verteilt die Aufgaben sinnvoll (z. B. Durchführung, Protokoll, Material, Beobachtung).
- Arbeitet während der gesamten Experimente eng zusammen.
Vor jedem Experiment
- Lest die Versuchsanleitung genau durch.
- Beachtet alle Sicherheitsvorgaben.
- Stellt sicher, dass jedes Gruppenmitglied alles verstanden hat.
Wichtiger erster Schritt
- Bearbeitet die erste Aufgabe vor jedem Experiment.
- Sie hilft euch, die Versuche besser zu verstehen und richtig durchzuführen.
Durchführung
- Nutzt euer Wissen über:
- Brønsted-Säuren und -Basen
- pH-Wert
- Untersucht die Lösungen mit geeigneten Methoden und Indikatoren.
Beobachtung
- Achtet besonders auf:
- Farbveränderungen
- Reaktionen
- Auffälligkeiten
- Diese Hinweise sind wichtig für den Fall!
Ziel des Experiments
- Die gesammelten Informationen helfen euch, den Umweltskandal aufzuklären.
Dokumentation
- Haltet alle Ergebnisse sorgfältig fest:
- Beobachtungen
- Auswertungen (2. + 3. Aufgabe)
- Eure Notizen sind die Grundlage für die endgültige Lösung des Falls.
Experiment: Nachweis von Salzsäure mit Methylorange
Materialien:
1 kleines Becherglas (ca. 50 mL), 1 Messpipette, Methylorange-Lösung, Schutzbrille, Laborkittel, Schutzhandschuhe
Chemikalien:
Salzsäure (HCl, 0,1 mol/L, wässrige Lösung)
H-Sätze: H290, H314, H335
P-Sätze: P280, P301+P330+P331, P305+P351+P338
Hinweise zur Sicherheit:
• Trage immer Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhe.
• Fasse Chemikalien niemals mit den Händen an.
• Vermeide das Einatmen von Dämpfen.
• Iss und trinke nicht im Chemieraum.
• Vermeide den Kontakt mit Haut, Augen und Kleidung.
• Sollte Salzsäure auf die Haut oder in die Augen gelangen, sofort mit viel Wasser spülen und eine Lehrkraft informieren.
Durchführung:
- Setze deine Schutzbrille, den Laborkittel und Handschuhe auf.
- Gib mit der Messpipette 5 mL Salzsäure in das Becherglas.
- Füge 2–3 Tropfen Methylorange-Lösung hinzu.
- Schwenke das Becherglas vorsichtig, sodass sich die Lösung gut mischt.
- Beobachte die Farbveränderung der Lösung.
- Entsorge die Lösung nach dem Versuch gemäß den Sicherheitsvorgaben.
Arbeitsauftrag:
- Überlege vor dem Experiment, warum Methylorange als Indikator im Chemieunterricht benutzt wird.
- Achte während des Versuchs darauf, welche Farbe die Lösung nach Zugabe von Methylorange annimmt.
- Notiere nach dem Experiment, was die beobachtete Farbe über die Eigenschaften der untersuchten Lösung aussagt.
Experiment: Nachweis von Schwefelsäure durch Neutralisation mit Natronlauge und Universalindikator
Materialien:
1 Erlenmeyerkolben (100 mL), 1 Messpipette (10 mL), 1 Spritzflasche oder Tropfpipette, Schutzbrille, Laborkittel, Schutzhandschuhe
Chemikalien:
Schwefelsäure (H₂SO₄, 0,1 mol/L)
Natronlauge (NaOH, 0,1 mol/L)
Universalindikatorlösung
H-Sätze Schwefelsäure: H290, H314, H318
P-Sätze Schwefelsäure: P280, P301+P330+P331, P305+P351+P338
H-Sätze Natronlauge: H290, H314
P-Sätze Natronlauge: P280, P301+P330+P331, P305+P351+P338
Hinweise zur Sicherheit:
• Trage immer Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhe.
• Fasse Chemikalien niemals mit den Händen an.
• Vermeide das Einatmen von Dämpfen.
• Iss und trinke nicht im Chemieraum.
• Vermeide den Kontakt mit Haut, Augen und Kleidung.
• Sollte Schwefelsäure oder Natronlauge auf die Haut oder in die Augen gelangen, sofort mit viel Wasser spülen und eine Lehrkraft informieren.
Durchführung:
- Setze Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhe auf.
- Gib 10 ml Schwefelsäure in den Erlenmeyerkolben.
- Tropfe 2–3 Tropfen Universalindikator in die Säure. Die Lösung erscheint rot.
- Gib nun langsam und tropfenweise Natronlauge mit der Spritzflasche oder Tropfpipette dazu und schwenke den Kolben vorsichtig.
- Beobachte, wie sich die Farbe der Lösung mit jedem Tropfen verändert, bis die Lösung grün oder leicht blau wird.
- Entsorge die Lösung nach dem Versuch gemäß den Sicherheitsvorgaben.
Arbeitsauftrag:
- Überlege vor dem Experiment, warum beim Arbeiten mit Säuren und Basen besondere Vorsicht nötig ist.
- Beobachte während des Versuchs, wie sich die Farbe der Lösung mit jedem Tropfen Natronlauge verändert.
- Notiere nach dem Experiment, was die Farbänderung des Universalindikators über die Eigenschaften der Lösung aussagt.
Experiment: Nachweis von Ammoniak-Lösung mit Lackmuspapier
Materialien:
1 kleines Becherglas, 1 Tropfpipette, rotes Lackmuspapier, Schutzbrille, Handschuhe, Laborkittel
Chemikalien:
Ammoniak-Lösung (NH₃, verdünnt, ca. 1–2 %)
H-Sätze: H319, H335, H400
P-Sätze: P261, P273, P280, P305+P351+P338, P337+P313
Hinweise zur Sicherheit:
• Trage immer Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhe.
• Vermeide das Einatmen von Dämpfen.
• Iss und trinke nicht im Chemieraum.
• Fasse Chemikalien niemals mit den Händen an.
• Vermeide den Kontakt mit Haut, Augen und Kleidung.
• Sollte Ammoniak-Lösung auf die Haut oder in die Augen gelangen, sofort mit viel Wasser spülen und eine Lehrkraft informieren.
Durchführung:
- Setze deine Schutzbrille, den Laborkittel und die Handschuhe auf.
- Fülle mit der Pipette einige Milliliter Ammoniak-Lösung in das Becherglas.
- Tauche ein Stück rotes Lackmuspapier kurz in die Lösung.
- Beobachte, ob sich das rote Lackmuspapier verfärbt.
- Entsorge das verwendete Lackmuspapier und die Lösung nach den Sicherheitsvorgaben.
Arbeitsauftrag:
- Überlege vor dem Experiment, warum sich Lackmuspapier zum Nachweis von Basen gut eignet.
- Beobachte während des Versuchs, welche Farbe das rote Lackmuspapier nach Kontakt mit der Lösung annimmt.
- Notiere nach dem Experiment, was die beobachtete Farbänderung über die Eigenschaften der untersuchten Lösung aussagt.
Experiment: Nachweis von Natronlauge durch Titration mit Salzsäure und Phenolphthalein
Materialien:
1 Erlenmeyerkolben (100 mL), 1 Messpipette (50 mL), 1 Becherglas, 1 Bürette, Schutzbrille, Laborkittel, Schutzhandschuhe
Chemikalien:
Natronlauge (NaOH, 0,1 mol/L), Salzsäure (HCl, 0,1 mol/L), Phenolphthaleinlösung
H-Sätze:
- Natronlauge: H290, H314
- Salzsäure: H290, H314, H335
- Phenolphthaleinlösung: H319, H336
P-Sätze:
- Natronlauge: P280, P305+P351+P338, P310
- Salzsäure: P280, P301+P330+P331, P305+P351+P338
- Phenolphthaleinlösung: P261, P305+P351+P338
Hinweise zur Sicherheit:
• Trage immer Schutzbrille, Laborkittel und Handschuhe.
• Fasse Chemikalien niemals mit den Händen an.
• Vermeide das Einatmen von Dämpfen.
• Iss und trinke nicht im Chemieraum.
• Vermeide den Kontakt mit Haut, Augen und Kleidung.
• Sollte eine Chemikalie auf die Haut oder in die Augen gelangen, sofort mit viel Wasser spülen und eine Lehrkraft informieren.
Durchführung:
- Setze deine Schutzbrille, den Laborkittel und die Schutzhandschuhe auf.
- Fülle mit der Messpipette 50 mL Natronlauge in den Erlenmeyerkolben.
- Gib einige Tropfen Phenolphthaleinlösung dazu. Die Lösung sollte pink werden.
- Stelle die Bürette mit Salzsäure bereit.
- Tropfe die Salzsäure langsam in die Natronlauge und schwenke den Kolben vorsichtig.
- Beobachte genau, wann die Lösung von pink zu farblos umschlägt.
- Lies das verbrauchte Volumen Salzsäure an der Bürette ab.
- Entsorge die Lösung nach dem Versuch gemäß den Sicherheitsvorgaben.
Arbeitsauftrag:
- Überlege vor dem Experiment, warum ein Indikator wie Phenolphthalein für diese Untersuchung verwendet wird.
- Beobachte während des Experiments die Farbänderung der Lösung und notiere, bei welchem Volumen der Farbumschlag eintritt.
- Berechne nach dem Experiment mit Hilfe des verbrauchten Volumens an Salzsäure den pH-Wert der untersuchten Lösung.
Extra Ausgabe: Umweltskandal Gewässerverschmutzung durch Industrieunternehmen
Lies dir den folgenden Text über einen fiktiven Umweltskandal durch. Dann löse mit deiner Gruppe das Rätsel, wer für die Wasserverschmutzung verantwortlich ist.
Umweltalarm am Silbersee!
Am heutigen Dienstag, den 15.08.2023, ereignete sich am beliebten Silbersee ein gravierender Umweltskandal. Innerhalb weniger Stunden wurde ein deutlicher Abfall des pH-Wertes im Wasser festgestellt, der bereits erste Schäden an Flora und Fauna verursacht hat. Zahlreiche Fische wurden tot an der Wasseroberfläche entdeckt, und auch Wasserpflanzen zeigen Vergilbungen und abgestorbene Blätter.
Die zuständige Umweltbehörde bestätigte, dass vier ansässige Unternehmen eine offizielle Genehmigung besitzen, gereinigte Abwässer in begrenzten Mengen in den See einzuleiten. Voraussetzung ist, dass die Abwässer vor Einleitung korrekt auf einen neutralen pH-Wert eingestellt werden, um das empfindliche Ökosystem nicht zu gefährden.
Nach Angaben der Behörde wurden folgende Mengen und Proben in den See eingeleitet:
Aqua-Chem GmbH: 4,0 m³ einer starken Säure (Laborprobe: pH 1,0)
NaturGreen AG: 3,2 m³ einer starken Base (Laborprobe: pH 13,0)
Eco-Solutions UG: 2,8 m³ einer schwachen Säure (Laborprobe: pH 5,0)
BioTech GmbH: 2,0 m³ einer schwachen Base (Laborprobe: pH 9,0)
Alle vier Firmen beteuern, ihre Abwässer vor Einleitung ordnungsgemäß neutralisiert zu haben. Die entnommenen Proben zeigen jedoch, dass jede Lösung denselben Säureüberschuss aufweist, sodass nur durch die Kombination von Volumen und chemischer Konzentration festgestellt werden kann, welche Firma die Umweltauflagen verletzt hat.
Die Universität zu Aachen unterstützt die Wasserbehörde bei der Analyse der Proben. Mittels präziser Titration soll festgestellt werden, welche Firma die Abwässer nicht korrekt neutralisiert hat und somit für den drastischen pH-Abfall im Silbersee verantwortlich ist. Das Gesamtvolumen des Seewassers nach Einleitung aller Abwässer beträgt 110 m³, der aktuelle pH-Wert des Sees liegt bei ungefähr 4.
Die Umweltbehörde arbeitet parallel daran, den pH-Wert durch kontrollierte Zugabe einer neutralen Base wieder auf den Sollwert von 7 anzuheben. Über die weiteren Ermittlungen und Ergebnisse der Laboranalysen halten wir Sie fortlaufend auf dem Laufenden.
Materialliste für die Lehrkraft
Experiment 1: Nachweis von Salzsäure mit Methylorange
Materialien:
- 1 kleines Becherglas
- 1 Messpipette
- Schutzbrille
- Laborkittel
- Schutzhandschuhe
Chemikalien:
- Salzsäure (HCl, 0,1 mol/L)
- Methylorangelösung
Experiment 2: Nachweis von Schwefelsäure durch Neutralisation mit Natronlauge und Universalindikator
Materialien:
- 1 Erlenmeyerkolben (100 mL)
- 1 Messpipette (10 mL)
- 1 Tropfpipette oder Spritzflasche
- Schutzbrille
- Laborkittel
- Schutzhandschuhe
Chemikalien:
- Schwefelsäure (H₂SO₄, 0,1 mol/L)
- Natronlauge (NaOH, 0,1 mol/L)
- Universalindikatorlösung
Experiment 3: Nachweis von Ammoniak-Lösung mit Methylorange
Materialien:
- 1 Reagenzglas
- 1 Pipette
- Schutzbrille
- Laborkittel
- Schutzhandschuhe
Chemikalien:
- Ammoniak-Lösung (NH₃, wässrige Lösung, 0,1 mol/L)
- Methylorange-Lösung
Experiment 4: Nachweis von Natronlauge mit Titration und Phenolphthalein
Materialien:
- 1 Erlenmeyerkolben (100 mL)
- 1 Messpipette (50 mL)
- 1 Bürette
- 1 Becherglas
- 1 Tropfpipette
- Schutzbrille
- Laborkittel
- Schutzhandschuhe
Chemikalien:
- Natronlauge (NaOH, 0,1 mol/L)
- Salzsäure (HCl, 0,1 mol/L)
- Phenolphthaleinlösung
Glossar für die Lehrkraft: Kann auch den Schüler:innen gegeben werden
- dissoziieren / Dissoziation: Vorgang, bei dem sich Teilchen (z. B. Säuremoleküle) in Ionen aufspalten, wenn sie in Lösung gehen.
- Neutralisation: Chemische Reaktion zwischen einer Säure und einer Base, bei der Wasser und ein Salz entstehen und der pH-Wert in den neutralen Bereich übergeht.
- Äquivalenzpunkt: Punkt einer Titration, an dem die zugegebene Stoffmenge eines Reaktionspartners genau der Stoffmenge des anderen entspricht; die Reaktion ist stöchiometrisch abgeschlossen.
- Titration: Analytisches Verfahren, bei dem die Konzentration einer unbekannten Lösung durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration bestimmt wird.
- Indikator: Farbstoff oder Substanz, die durch einen sichtbaren Farbwechsel anzeigt, ob eine Lösung sauer, neutral oder basisch ist bzw. ob der Endpunkt einer Reaktion erreicht wurde.
- Oxonium-Ion (H₃O⁺): Positiv geladenes Ion, das entsteht, wenn ein Proton (H⁺) von einer Säure auf ein Wassermolekül übertragen wird; Träger der „Säurewirkung“ in wässriger Lösung.
- Hydroxid-Ion (OH⁻): Negativ geladenes Ion, das für den basischen Charakter einer Lösung verantwortlich ist und mit H⁺-Ionen zu Wasser reagiert.
- Brønsted-Säure: Stoff, der in einer chemischen Reaktion ein Proton (H⁺) abgeben kann.
- Brønsted-Base: Stoff, der in einer chemischen Reaktion ein Proton (H⁺) aufnehmen kann.
- Säurestärke: Maß dafür, wie leicht eine Säure Protonen abgibt; starke Säuren geben ihre Protonen nahezu vollständig an das Lösungsmittel ab.