Säure-Base-Titration und pH-Berechnung

Acid–Base Titration and pH Calculation

Chemie Klasse 9 10 Aufgaben

TitrationpH-WertNeutralisationKerncurriculum

Wie viel Säure steckt in einer unbekannten Salzsäure? Die Kinder tropfen Natronlauge bekannter Konzentration zu, bis der Indikator umschlägt, und rechnen über n = c · V auf die gesuchte Konzentration zurück — der Äquivalenzpunkt ist der Moment gleicher Stoffmengen. Dazu kommt der pH-Wert als Zehnerpotenz-Skala: pH 3 heißt hundertmal mehr H₃O⁺ als pH 5, nicht „etwas saurer". Gegen die Fehlvorstellung, der pH-Wert sei eine lineare Säuremenge, arbeitet jede Aufgabe mit Zehnerschritten. Verbindet Chemie mit den Potenzen der Mathematik; bereitet Säure-Base-Gleichgewichte und Titrationskurven der Oberstufe vor.

Voraussetzungen (2)

Säuren und Basen

Klasse 9

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Quantitative Chemie – Stoffmenge und Molare Masse

Klasse 9

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Leicht

Lückentext #1 15s ▶ Testen

Indikatoren sind Stoffe, die ihre ___ in Abhängigkeit vom pH-Wert ändern.

✓ Antwort: Farbe

Bekannte Indikatoren und Umschlagsbereiche: Methylorange (3,1–4,4 rot→gelb), Lackmus (5–8), Bromthymolblau (6,0–7,6 gelb→blau), Phenolphthalein (8,2–10,0 farblos→pink). Universalindikator zeigt einen ganzen Farbverlauf von rot über grün nach blau.

Mittel

Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Eine Chemikerin will wissen, wie viel Säure ein Apfelsaft enthält. Welches Vorgehen ist eine Titration?

○ Universalindikator zugeben und die Farbe mit der Skala vergleichen
● Natronlauge aus der Bürette zutropfen bis zum Farbumschlag
○ Den Saft eindampfen und den festen Rückstand wiegen

Bei einer Titration gibt man aus der Bürette eine Maßlösung bekannter Konzentration zu, bis die Säure gerade neutralisiert ist (Farbumschlag des Indikators). Aus dem verbrauchten Volumen berechnet man die Stoffmenge der Säure. Die Indikatorfarbe allein zeigt nur, wie sauer der Saft ist (pH), nicht wie viel Säure er enthält. Eindampfen und Wiegen ist eine andere Methode (Gravimetrie).

Lückentext #2 15s ▶ Testen

Der Punkt, an dem genau gleiche Stoffmengen Säure und Base reagiert haben, heißt ___.

✓ Antwort: Äquivalenzpunkt

Am Äquivalenzpunkt gilt n(H⁺) = n(OH⁻). Bei einer starken Säure und starken Base liegt er bei pH = 7, bei schwachen Säuren oder Basen kann er deutlich davon abweichen. Der Indikator schlägt idealerweise *am* Äquivalenzpunkt um.

Multiple Choice #3 25s ▶ Testen

Wie ist der pH-Wert definiert?

● pH = −log c(H₃O⁺), also der negative dekadische Logarithmus der Oxonium-Ionen-Konzentration (in mol/L).
○ pH ist der Anteil an Säure in Prozent.
○ pH ist die Temperatur einer Säure.
○ pH ist die Anzahl der H-Atome in einem Molekül.

Der pH-Wert komprimiert die enorme Spannweite möglicher H₃O⁺-Konzentrationen (von ~10 mol/L bis 10⁻¹⁵ mol/L) auf eine handliche Skala von ca. 0–14. Saure Lösungen: pH < 7. Neutral: pH = 7. Basisch: pH > 7. Eine pH-Stufe entspricht einem Faktor 10 in der Konzentration.

Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Berechne den pH-Wert einer Salzsäure-Lösung mit c(HCl) = 0,01 mol/L. Hinweis: HCl ist eine starke Säure, dissoziiert vollständig.

✓ Antwort: 2

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻ (vollständig). Daher c(H₃O⁺) = 0,01 mol/L = 10⁻² mol/L. pH = −log(10⁻²) = 2. Faustregel für starke einprotonige Säuren: pH = −log c(Säure).

Multiple Choice #5 30s ▶ Testen

Was passiert bei einer Neutralisationsreaktion zwischen HCl und NaOH?

● H₃O⁺ + OH⁻ → 2 H₂O. Es entsteht Wasser; Na⁺ und Cl⁻ bleiben in Lösung — beim Eindampfen kristallisiert NaCl aus.
○ HCl + NaOH → HNa + ClOH
○ HCl und NaOH heben sich gegenseitig auf, sodass nichts entsteht.
○ Es entsteht Chlorgas (Cl₂).

Die ionische Schreibweise zeigt das Wesentliche: nur die H₃O⁺- und OH⁻-Ionen reagieren, die "Zuschauer-Ionen" Na⁺ und Cl⁻ schwimmen unverändert weiter. Wird das Wasser anschließend abgedampft, erhält man kristallines Natriumchlorid — daher der Name "Salz" für das Reaktionsprodukt einer Neutralisation.

Wahr / Falsch #6 25s ▶ Testen

Eine Lösung mit pH = 3 enthält 100-mal mehr H₃O⁺-Ionen als eine Lösung mit pH = 5.

✓ Wahr

Richtig. Die pH-Skala ist logarithmisch — eine Differenz von 2 Einheiten bedeutet einen Faktor 10² = 100. c(H₃O⁺) bei pH 3 = 10⁻³ mol/L, bei pH 5 = 10⁻⁵ mol/L. Genau diese Hebelwirkung macht selbst kleine pH-Änderungen biologisch dramatisch (z. B. Magensäure pH 1, Blut pH 7,4).

Schwer

Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Welchen pH-Wert hat eine Natronlauge mit c(NaOH) = 0,001 mol/L? (NaOH dissoziiert vollständig, T = 25 °C, K_w = 10⁻¹⁴)

✓ Antwort: 11

c(OH⁻) = 0,001 mol/L = 10⁻³ mol/L → pOH = 3. Bei 25 °C gilt pH + pOH = 14, also pH = 14 − 3 = 11. Alternative: c(H₃O⁺) = K_w / c(OH⁻) = 10⁻¹⁴ / 10⁻³ = 10⁻¹¹ → pH = 11.

Multiple Choice #2 45s ▶ Testen

Beim Titrieren von 25 mL einer Salzsäure mit c(HCl) = ? gegen NaOH-Maßlösung (c = 0,1 mol/L) werden 20 mL bis zum Äquivalenzpunkt verbraucht. Wie groß ist c(HCl)?

● 0,08 mol/L
○ 0,1 mol/L
○ 0,125 mol/L
○ 0,2 mol/L

n(NaOH) = 0,020 L · 0,1 mol/L = 0,002 mol. Im Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) = n(NaOH) = 0,002 mol. Daher c(HCl) = n / V = 0,002 mol / 0,025 L = 0,08 mol/L.

Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Welcher Indikator ist für die Titration einer starken Säure mit einer starken Base am besten geeignet?

● Bromthymolblau — schlägt nahe pH 7 um, also genau am Äquivalenzpunkt.
○ Methylorange (Umschlag bei pH 3,5).
○ Phenolphthalein (Umschlag bei pH 9).
○ Universalindikator nach Augenmaß.

Der Indikator sollte im Umschlagsbereich des Äquivalenzpunkts liegen. Bei einer starken Säure + starker Base ist das pH 7 → Bromthymolblau (gelb→blau). Bei einer schwachen Säure + starken Base liegt der Äquivalenzpunkt im Basischen → Phenolphthalein wäre dann passend.