Aufgabe 3 – Wasser – ein vielseitiger Stoff

Wasser ist einer der wichtigsten Stoffe für den Menschen. Reines Wasser hat unter Standardbedingungen einen Formula: pH -Wert von Formula: 7.

3.1

Erläutere anhand einer Reaktionsgleichung den Begriff der Autoprotolyse.

2 BE

3.2

Begründe mit Hilfe des Diagramms (siehe Abbildung 1), ob die Autoprotolyse des Wassers exotherm oder endotherm verläuft.

Diagramm Temperaturabhängigkeit des Ionenprodukts von Wasser

Abbildung 1: Temperaturabhängigkeit des Ionenprodukts von Wasser

2 BE

3.3

Der pH-Wert einer Lösung steigt, wenn

Ammoniak in Wasser eingeleitet wird oder

Calcium mit Wasser reagiert, wobei auch Wasserstoff entsteht.

Begründe diese Aussagen unter Verwendung von Reaktionsgleichungen.

Nenne jeweils die Reaktionsart.

Vergleiche die beiden Reaktionen unter vier Gesichtspunkten.

11 BE

3.4

Berechne die Konzentrationen der Hydroxid- und Hydronium-Ionen in einer Calciumhydroxid-Lösung mit einem Formula: pH -Wert von Formula: 10{,}5.

Erläutere die Bedeutung des pH-Wertes an zwei Beispielen.

5 BE

20 BE

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3.1

$Formula: \ce{H2O + H2O \rightleftharpoons H3O+ + OH-}$ $Formula: \ce{H2O + H2O \rightleftharpoons H3O+ + OH-}$

Autoprotolyse: Amphotere Teilchen reagieren mit sich selbst in einer Säure-Base-Reaktion, wobei ein Teilchen der Protonendonator und das andere Teilchen der Protonenakzeptor ist.

3.2

Bei etwa $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ beträgt das Ionenprodukt des Wassers $Formula: K_\text{W}=1\cdot10^{-14}\ \tfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}$ $Formula: K_\text{W}=1\cdot10^{-14}\ \tfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}$ und bei etwa $Formula: 50\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 50\ ^\circ\text{C}$ ist $Formula: K_\text{W}=5\cdot10^{-14}\ \tfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}.$ $Formula: K_\text{W}=5\cdot10^{-14}\ \tfrac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}.$

Da mit zunehmender Temperatur das Ionenprodukt $Formula: K_\text{W}$ $Formula: K_\text{W}$ größer wird, handelt es sich bei der Autoprotolyse des Wassers um einen endothermen Vorgang.

3.3

Begründen der Aussagen und Nennen der Reaktionsart

$Formula: \ce{NH3 + H2O \rightleftharpoons NH4^+ + OH-}$ $Formula: \ce{NH3 + H2O \rightleftharpoons NH4^+ + OH-}$

Bei der Reaktion mit Wasser entstehen Hydroxid-Ionen, wodurch die Lösung basischer wird $Formula: \bigl(c(\ce{H3O+})\lt c(\ce{OH-})\bigr)$ $Formula: \bigl(c(\ce{H3O+})\lt c(\ce{OH-})\bigr)$ und der pH-Wert steigt.

Da sich die Oxidationszahlen nicht ändern, handelt es sich um eine Protolyse, wobei Protonen übertragen werden.

$Formula: \Big(\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\,+\text{I}}}{\text{NH}_3}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\,+\text{I}}}{\text{NH}_4^+}+\overset{\color{#0096C8}{-\text{II}\,+\text{I}}}{\text{OH}^-}\Big)$ $Formula: \Big(\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\,+\text{I}}}{\text{NH}_3}+\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{-\text{III}\,+\text{I}}}{\text{NH}_4^+}+\overset{\color{#0096C8}{-\text{II}\,+\text{I}}}{\text{OH}^-}\Big)$

$Formula: \ce{Ca + 2H2O \rightleftharpoons Ca^2+ + 2OH- + H2}$ $Formula: \ce{Ca + 2H2O \rightleftharpoons Ca^2+ + 2OH- + H2}$

Die Oxidationszahlen ändern sich. Somit handelt es sich um eine Redoxreaktion, wobei Elektronen übertragen werden.

$Formula: \Big(\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Ca}}+2\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+2\:\overset{\color{#0096C8}{-\text{II}\,+\text{I}}}{\text{OH}^-}+\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{H}_2}\Big)$ $Formula: \Big(\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Ca}}+2\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{II}}}{\text{H}_2\text{O}}\rightleftharpoons\overset{\color{#0096C8}{+\text{II}}}{\text{Ca}^{2+}}+2\:\overset{\color{#0096C8}{-\text{II}\,+\text{I}}}{\text{OH}^-}+\overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{H}_2}\Big)$

Vergleichen der beiden Reaktionen

Kriterium	Protolyse	Redoxreaktion
Gemeinsamkeiten Teilchenaustausch	Teilchen werden zwischen den reagierenden Stoffen ausgetauscht. Es gibt einen Donator (Teilchenabgabe) und einen Akzeptor (Teilchenaufnahme).
Unterschiede ausgetauschte Teilchen	Protonen	Elektronen
Oxidationszahlen	ändern sich nicht	ändern sich

Kriterium

Protolyse

Redoxreaktion

Gemeinsamkeiten

Teilchenaustausch

Teilchen werden zwischen den reagierenden Stoffen ausgetauscht.

Es gibt einen Donator (Teilchenabgabe) und einen Akzeptor (Teilchenaufnahme).

Unterschiede

ausgetauschte Teilchen

Protonen

Elektronen

Oxidationszahlen

ändern sich nicht

ändern sich

Hinweis: Es können ebenso andere Kriterien zum Vergleich herangezogen werden, z. B.:

Protonenabgabe = Säurereaktion

Elektronenabgabe = Oxidation

3.4

Berechnung der Konzentrationen der Oxonium- und Hydroxid-Ionen

Gesucht: $Formula: c(\ce{H3O+}),\;c(\ce{OH-})$ $Formula: c(\ce{H3O+}),\;c(\ce{OH-})$

Gegeben: $Formula: pH(\ce{Ca(OH)2})=10{,}5$ $Formula: pH(\ce{Ca(OH)2})=10{,}5$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\ce{H3O+})&=&10^{-pH}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&10^{-10{,}5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&3{,}16\cdot10^{-11}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\ce{H3O+})&=&10^{-pH}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&10^{-10{,}5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&3{,}16\cdot10^{-11}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{OH}^-)&=&\dfrac{K_\text{W}}{c(\ce{H3O+})}\\[5pt] &=&\dfrac{10^{-14}\;\frac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}}{3{,}16\cdot10^{-11}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}}\\[5pt] &=&3{,}16\cdot10^{-4}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{OH}^-)&=&\dfrac{K_\text{W}}{c(\ce{H3O+})}\\[5pt] &=&\dfrac{10^{-14}\;\frac{\text{mol}^2}{\text{L}^2}}{3{,}16\cdot10^{-11}\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}}\\[5pt] &=&3{,}16\cdot10^{-4}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Die Konzentration der Oxonium-Ionen beträgt $Formula: 3{,}16\cdot10^{-11}\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: 3{,}16\cdot10^{-11}\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ und die Konzentration der Hydroxid-Ionen beträgt $Formula: 3{,}16\cdot10^{-4}\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}.$ $Formula: 3{,}16\cdot10^{-4}\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}.$

Erläuterung des pH-Werts an Beispielen

Blut: konstanter pH-Wert von für den Sauerstoff- und CO₂-Transport
Wasser: pH-Wert im neutralen Bereich, damit die Fische atmen können
Boden: pH-Wert spezifisch für das Wachstum von Pflanzen
Verdauung: Aktivität der Verdauungsenzyme abhängig vom pH-Wert

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