9   S a u re  u n d   a lka li sc h e   Lösu n ge n   –   P rot on e n ü b e rgä n ge

9.10  Die Konzentration saurer und alkalischer Lösungen Zu den Aufgaben 1 mol

A1  c (NaOH) =  ___   0,5 l     = 2 mol/l A2    a)  n (NaOH)  = c · V    = 0,05 mol/l · 0,250 l   = 0,0125 mol  

V (Lösung) =  _  nc    0,0125 mol

 

=  _____   0,1 mol/l      

 

= 0,125 l

Es werden V = 125 ml der vorliegenden Natronlauge benötigt. b)  n(NaOH)   = 0,0125 mol   M(NaOH)  = 40 g/mol   m(Natriumhydroxid) = M(NaOH) · n(NaOH)       = 40 g/mol · 0,0125 mol       = 0,5 g Die Natriumhydroxidportion hat die Masse m = 0,5 g. A3  In 1 l Salzsäure der Konzentration  c (HCl) = 0,1 mol/l  sind  0,1 · 6 · 1023 = 6 · 1022 H3O+-Ionen. In 100 ml dieser Salzsäure sind folglich  0,1 · 6 · 1022 = 6 · 1021 H3O+-Ionen. A4  In 1 l Natronlauge der Konzentration  c (NaOH) = 1 mol/l  sind  1 · 6 · 1023 OH–-Ionen. In 100 ml dieser Natronlauge sind folglich  0,1 · 6 · 1023 = 6 · 1022 OH–-Ionen. A5  n (KOH) = c (KOH) · V (Kalilauge) = 0,5 mol/l · 1 l = 0,5 mol g

m (Kaliumhydroxid) = n (KOH) · M (KOH) = 0,5 mol · 56,1  __  mol    = 28,05 g Zusatzinformationen Zusammensetzung von Mischphasen. Die Beschreibung der Zusammensetzung von Lösungen  und anderen Gemischen wird häufig mit sehr unterschiedlichen und z. T. unklaren Begriffen vorgenommen. Neben IUPAC-Regeln sind für den zutreffenden Gebrauch von Begriffen im Chemieunterricht die DIN-Normen heranzuziehen. In DIN 1310 werden die Zusammensetzungsgrößen  beschrieben, festgelegt und gegeneinander abgegrenzt. Lösungen und Gemische gehören zu den  Mischphasen, insofern sind die Begriffe jeweils sinngemäß zu verwenden. Nach DIN 1310 wird unter einer Phase eine homogene gasförmige, flüssige oder feste Stoffportion verstanden. Eine solche Phase kann aus einem oder mehreren Stoffen bestehen. Besteht die  Phase aus mehreren Stoffen, wird sie Mischphase genannt. Gasförmige Mischphasen werden  auch als Gasgemische, flüssige Mischphasen auch als Lösungen, feste Mischphasen auch als  Mischkristalle oder feste Lösungen bezeichnet. Zur Beschreibung der Zusammensetzung der  Mischphasen, also auch der Lösungen, kann für die Stoffportion i jedes einzelnen Stoffes eine der  folgenden Größen verwendet werden: Masse mi Volumen Vi Stoffmenge ni Teilchenzahl Ni

Elemente Chemie 

149

9   Saure und alkalisc he   L ö s u ng e n –  Pro to ne nü be rg ä n ge

(Vi ist dabei das Volumen, das die Stoffportion i vor dem Mischvorgang bei der vorliegenden  Temperatur, unter dem vorliegenden Druck und im vorliegenden Aggregatzustand einnimmt. Es  ist sinnvoll, das Volumen Vi nur dann zur Beschreibung der Mischphase zu benutzen, wenn die  Stoffportion i vor dem Mischvorgang und die Mischphase denselben Aggregatzustand haben.) Zur Beschreibung der Zusammensetzung der Mischphase werden Quotienten aus den folgenden  Zähler- und Nennergrößen gebildet: Zählergrößen: mi, Vi, ni, Ni für eine herausgegriffene Stoffportion i, Nennergrößen: mk, Vk, nk, Nk für eine herausgegriffene Stoffportion k. Die Nennergröße ist bei den Mischphasen (Gasgemische, Lösungen, Mischkristalle) in der Regel  nicht die Masse, das Volumen, die Stoffmenge oder die Teilchenzahl einer herausgegriffenen  Stoffportion, sondern die Gesamtmasse, das Gesamtvolumen, die Gesamtstoffmenge oder  Gesamtteilchenzahl der Mischphase. Wortverbindungen mit -anteil geben den Quotienten aus einer der Zählergrößen für eine  Stoffportion i und der Summe m, V0  , n oder N der gleichdimensionalen Größen aller Stoffe der  Mischphase an. Massenanteil      Volumenanteil     Stoffmengenanteil  Teilchenzahlanteil  

wi = mi /m vi = Vi /V0 xi = ni /n  Xi = Ni /N 

(V0 ist das Gesamtvolumen vor dem Mischvorgang, V wäre das Gesamtvolumen nach dem  Mischvorgang oder das Volumen der Mischphase. V0 und V können wegen der eventuell beim  Mischen eintretenden Volumenänderung voneinander abweichen. In DIN 1310 wird empfohlen,  anstelle des Volumenanteiles die Volumenkonzentration anzuwenden, sofern eine eventuelle  Volumenänderung beim Mischvorgang nicht genau bekannt ist.) Jede der Anteilgrößen kann mit ungleichen Einheiten (z. B. g/kg) oder mit gleichen Einheiten (z. B.  g/g) für die Zählergröße und für die Nennergröße angegeben werden. Die Größe kann auch als  Bruchteil der Zahl 1, in % oder in ‰ angegeben werden. Beispiel:  wi = 20 g/kg = 0,02 kg/kg = 0,02 = 2 % = 20 ‰ Beispiele für die Schreibweise von Tabellenköpfen: Massenanteil wi

Stoffmengenanteil xi in %

Volumenanteil vi in ‰

0,556

78,5

179

Es wurden und werden auch Wortverbindungen mit -gehalt synonym mit -anteil gebraucht. Das  Wort Gehalt sollte aber in anderem Sinne benutzt werden (Siehe Gehalt!). Wortverbindungen mit -konzentration bezeichnen Quotienten aus einer der Zählergrößen für  eine Stoffportion i und dem Volumen V der Mischphase. Massenkonzentration     Volumenkonzentration    Stoffmengenkonzentration  Teilchenzahlkonzentration 

150 

Elemente Chemie

bi = mi/V si = Vi/V ci = ni/V Ci = Ni/V

9   S a u re  u n d   a lka li sc h e   Lösu n ge n   –   P rot on e n ü b e rgä n ge

(Die Volumenkonzentration si entspricht nur dann dem Volumenanteil vi , wenn V0 = V ist, wenn  also der Mischvorgang ohne Volumenänderung verläuft.)  International wird die Stoffmengenkonzentration ci auch kurz Konzentration (engl. concentration)  genannt. Nach DIN 1310 wird dies nicht empfohlen. Wortverbindungen mit -verhältnis bezeichnen Quotienten aus einer der Zählergrößen für eine  Stoffportion i und der jeweils gleichdimensionalen Nennergröße für eine andere Stoffportion k. Massenverhältnis      Volumenverhältnis    Stoffmengenverhältnis  Teilchenzahlverhältnis  

fik = mi /mk wik = Vi /Vk rik = ni /nk Rik = Ni /Nk

Molalität ist der Quotient aus der Stoffmenge ni der gelösten Stoffportion i und der Masse mk der  Lösungsmittelportion k. bi = ni /mk Gehalt. Das Wort Gehalt wird als Oberbegriff bei der qualitativen Beschreibung der Zusammensetzung einer Mischphase angewendet, solange keine konkreten Größenwerte (als Zahlenwert  mal Einheiten) angegeben werden. Bei quantitativen Angaben ist anstelle des Wortes Gehalt die  jeweils benutzte Größe, z. B. der Massenanteil oder die Massenkonzentration, mit Benennung  und/oder Formelzeichen anzugeben. Zusammenstellung der Zusammensetzungsgrößen Name der Größe Massenanteil Volumenanteil Stoffmengenanteil Teilchenzahlanteil Massenkonzentration Volumenkonzentration Stoffmengenkonzentration Teilchenzahlkonzentration Massenverhältnis Volumenverhältnis Stoffmengenverhältnis Teilchenzahlverhältnis Molalität

Zeichen wi vi  xi Xi bi si  ci Ci fik wik rik Rik bi

SI-Einheit 1 1 1 1 kg/m3 1 mol/m3 m–3 1 1 1 1 mol/kg

Anmerkung: 1 steht in der rechten Spalte für das Verhältnis zweier gleicher SI-Einheiten.

9.12  Durchblick Zusammenfassung und Übung Zu den Aufgaben A1  a)  Bildung aus den Elementen Calcium  +  Chlor   Calciumchlorid Ca      +  Cl2     CaCl2 b)  Bildung durch Reaktion eines unedlen Metalls mit einer sauren Lösung Calcium  +  Salzsäure     Calciumchlorid  + Wasserstoff Ca      +  2 [H3O+, Cl–]   [Ca2+, 2 Cl–]    + H2 + 2 H2O Elemente Chemie 

151

9   Saure und alkalisc he   L ö s u ng e n –  Pro to ne nü be rg ä n ge

c)  Bildung durch Reaktion eines Metalloxids mit einer sauren Lösung Calciumoxid  +  Salzsäure     Calciumchlorid  +  Wasser CaO      +  2 [H3O+, Cl–]   [Ca2+, 2 Cl–]    +  3 H2O  d)  Bildung durch Neutralisation Kalkwasser  +  Salzsäure     Calciumchlorid  +  Wasser [Ca2+, 2 OH–]  +  2 [H3O+, Cl–]   [Ca2+, 2 Cl–]    +  4 H2O A2  Aus 30 ml Chlor und 30 ml Wasserstoff entstehen 60 ml Chlorwasserstoff. Bei Zugabe von  Wasser löst sich das Chlorwasserstoffgas unter Bildung von Salzsäure vollständig in dem  zugesetzten Wasser. Eventuell vorhandener überschüssiger Wasserstoff wird nicht gelöst. Der  Satz von Avogadro besagt, dass in gleichen Volumina verschiedener Gase gleich viele Teilchen  enthalten sind, wenn Druck und Temperatur der verschiedenen Gasportionen gleich sind. So kann  man aus dem Versuchsergebnis (Gleichbleiben des Gesamtvolumens) folgern, dass die Gesamtteilchenanzahl bei der Reaktion gleichbleibt. Daraus ergibt sich, dass ein Produktteilchen aus  ebenso vielen Atomen besteht wie ein Eduktteilchen, nämlich aus zwei Atomen. Das Produktteilchen hat die Summenformel HCl. Chlormolekül



 

+

+

Wasserstoffmolekül 

Cl2 + H2   A3  NH4Cl  

Chlorwasserstoffmoleküle

2 HCl NH3 + HCl  !  endotherm

Das Ammoniumion im Ammoniumchlorid ist der Protonendonator und das Chloridion der  Protonenakzeptor. Die rote Farbe auf dem Universalindikatorpapier zeigt die saure Reaktion des  Chlorwasserstoffgases mit dem Wasser (Bildung von Oxoniumionen) auf dem Indikatorpapier an.  Die blaue Farbe zeigt die alkalische Reaktion von Ammoniak mit dem Wasser (Bildung von  Hydroxidionen) auf dem Indikatorpapier an. A4  Beim Lösen von Calciumhydroxid stellt jede Elementargruppe ein Calciumion und zwei  Hydroxidionen zur Verfügung. Damit enthält Kalkwasser mit der gleichen Konzentration an  Kationen wie Natronlauge doppelt so viele Hydroxidionen. Bei der Neutralisation reagieren die  OH–-Ionen mit H3O+-Ionen zu Wassermolekülen. Für die gegenüber der Natronlauge doppelt so  vielen Hydroxid ionen im Kalkwasser benötigt man auch doppelt so viele H3O+-Ionen. A5  Konzentrierte Schwefelsäure reagiert mit Natriumchlorid zu Chlorwasserstoffgas. Dieses  reagiert dann mit dem Natrium in einer exothermen Reaktion zu dem salzartigen Feststoff  Natriumchlorid (Kochsalz) und Wasserstoff. Wasserstoff verbrennt in der Knallgasreaktion unter  Bildung von Wasser. Weiterführende Literatur Landesinstitut für Erziehung und Unterricht: Lernzirkel „Protonenübergänge“ in Heft Ch 1274;  Landesinstitut für Schulentwicklung, Stuttgart 2006 Julia Freienberg, Alfred Flint: Chemie fürs Leben; Universität Rostock, Institut für Didaktik der  Chemie (DVD: Aulis Verlag, Köln)

152 

Elemente Chemie

9   S a u re  u n d   a lka li sc h e   Lösu n ge n   –   P rot on e n ü b e rgä n ge

A6  n (HCl)    = n (NaOH) = n (NaCl)   n (NaOH) = c (NaOH) · V (Natronlauge)        = 1 mol/l · 0,01 l         = 0,01 mol n (HCl)    = c (HCl) · V (Salzsäure)        = 0,1 mol/l · 0,1 l        = 0,01 mol n (NaCl)   = n (HCl) = n (NaOH) = 0,01 mol m (NaCl)  = mt (NaCl) · n (NaCl)        = 58,5 u · 0,01 mol        = 0,585 g Die Masse der Natriumchloridportion beträgt 0,585 g. A7  Protonenpumpenhemmer (Protonenpumpeninhibitoren, PPI) Die Belegzellen des Magens geben ein Sekret ab, das sauer ist. Der pH-Wert liegt ungefähr bei  pH = 1,0 bis 1,5. Durch die Vermischung mit dem Mageninhalt steigt der pH-Wert auf pH ≈ 3 bis 4.  Durch das saure Sekret werden Proteine denaturiert, und zudem hat die Magensäure die  Funktion, Krankheitskeime aus der Nahrung unschädlich zu machen. Magensäureproduktion Bei Magensäure handelt es sich um Salzsäure [H+(aq) + Cl–(aq)]. Das Enzym Carboanhydrase  katalysiert in den Belegzellen des Magens die Dissoziation von Kohlensäuremolekülen zu  Protonen und Hydrogencarbonationen (mit zunehmender Magensäureproduktion steigt der  Hydrogencarbonatspiegel des Blutes). Mithilfe des Enzyms Protonen-Kalium-ATPase (H+/K+-ATPase) werden Protonen unter ATP-Verbrauch von den Belegzellen ins Magenlumen und im  Gegenzug Kaliumionen vom Magenlumen in die Belegzellen transportiert (über Kaliumkanäle  kommen die Kaliumionen wieder zurück ins Magenlumen). Chloridionen werden vom Blut in die  Belegzellen aufgenommen und gelangen über Chloridkanäle ins Magenlumen.  Anwendungsgebiete von Protonenpumpenhemmern Magengeschwür, Zwölffingerdarmgeschwür, Entzündung der Speiseröhre durch häufiges  Sodbrennen. (Als es noch keine Protonenpumpenhemmer gab, musste man viel häufiger eine Magenresektion  durchführen, nachdem zuvor des Öfteren ein Magengeschwür aufgetreten war.) Darreichungsform der Protonenpumpenhemmer Magenresistente Tabletten oder Kapseln, auch eine intravenöse Zufuhr ist möglich. Wirkungsweise Die Resorption der PPI findet im Dünndarm statt. Über den Blutkreislauf gelangen die „Prodrugs“,  also inaktive Vorstufen, zum Wirkungsort, wo sie in die aktive Form überführt werden. Der  Wirkungsort ist die H+/K+-ATPase, an die die aktive Form bindet. Die H+/K+-ATPase wird dadurch  irreversibel gehemmt, d. h., erst durch die Neubildung der Enzymmoleküle wird die Wirkung der  PPI aufgehoben. Durch diese Hemmung können keine Protonen mehr ins Magenlumen „gepumpt“ werden. Letztendlich steigt dadurch der pH-Wert des Mageninhalts. Wirkzeit Die Wirkzeit beträgt 1 bis 3 Tage. Danach hat sich die H+/K+-ATPase durch Neubildung regeneriert.

Elemente Chemie 

153

9   Saure und alkalisc he   L ö s u ng e n –  Pro to ne nü be rg ä n ge

%OXWJHIÆÁ

0DJHQOXPHQ

%HOHJ]HOOHGHV0DJHQV

&Ox.DQDO &Ox ..DQDO &DUER DQK\GUDVH +&2

+

++&2x

$73DVH +&2x .

A8  Dem Leitungswasser wird in geringen Mengen Chlor zugesetzt. Aus dem reaktionsfähigen  Chlor entstehen Chloride, die mit Silbernitratlösung zu Silberchlorid reagieren. (Hinweis zur Durchführung dieses Experimentes: Da Leitungswasser i. A. leicht alkalisch ist, muss  es vorher mit (einem Tropfen) Salpetersäure angesäuert werden, damit ein eindeutiges Ergebnis  erzielt wird.) A9  Rauch ist ein Gemisch aus einem fein verteilten Feststoff und einem Gas. Konzentrierte  Salzsäure bildet Nebel. Lösung des Rätsels: NEUTRALISATION

O

A

H

154 

Elemente Chemie

N

A

M M

O

I

A

K

S

A

U

E

R

X

O

N

I

U

M

I

O

N

P

R

O

T

O

N

N

E

U

T

R

A

L

M

A

G

N

E

S

A

L

K

A

L

I

S

C

H

M M

O

N

I

U

M

C

S

L

A

I

A

H

L

O

R

I

D

Z

S

A

E

U

R

E

N

A

T

R

O

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L

A

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G

E

E

H

R

L

I

U

M W

E

L

T

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F

A

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D

R

O

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I 

D

I

O

N

I

O

N

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N

A

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