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Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen 11:14 min

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Transkript Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen

Guten Tag und herzlich Willkommen. In diesem Video geht es um die Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen. Der Film gehört zur Reihe “Ionennachweise 1”. An Vorkenntnissen solltest du dich mit Basen, Säuren und Salzen auskennen. Du weißt, was Hydroxid- und Hydronium-Ionen sind. Im Video möchte ich dir als Schwerpunkt die Möglichkeiten chemischer Nachweise neben den Nachweisen durch Indikatoren aufzeigen. Der Film besteht aus sechs Abschnitten. Erstens: Selbst das Wasser bildet sie, Zweitens: Wir weisen die Ionen nach, Drittens: Säurenachweis, Viertens: Basennachweis, Fünftens: Indikatoren und Sechstens: Zusammenfassung. Erstens: Selbst das Wasser bildet sie. Auch reines Wasser dissoziiert. Aus zwei Molekülen Wasser bilden sich zwei entgegengesetzt geladene Ionen, es entstehen Hydronium-Ionen und Hydroxid-Ionen. Von nun ab wollen wir für H3O+ vereinfacht H+, Wasserstoffionen gleich Protonen, schreiben. Damit vereinfacht sich auch die Dissoziationsgleichung. Wasser dissoziiert und bildet Ionen, Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen. Allerdings bildet das Wasser diese Ionen nur in sehr geringer Menge. Wie können wir diese Ionen nachweisen? Die Antwort ist so einfach wie auch unerwartet: mit Natrium. Natrium reagiert mit Wasser zu Natriumhydroxid und Wasserstoff. 2Na+2H2O2NaOH+H2. Warum ist das so? Schauen wir uns dafür einmal die Ionenschreibweise der Reaktion an. Zwei Natriumatome und zwei Wasserstoff-Ionen und zwei Hydroxid-Ionen reagieren zu zwei Natrium-Ionen und zwei Hydroxid-Ionen und einem Wasserstoffmolekül. Die Hydroxid-Ionen sind links und rechts gleich, daher können wir sie herausstreichen. Es bleibt übrig: 2Na+2H+2Na++H2. Wir haben somit nachgewiesen, dass Wasser Wasserstoff-Ionen bildet. Vielleicht liefert auch der Ether Wasserstoff-Ionen? Wie ich darauf komme? Nun, Diethylether hat folgende Formel. Das Molekül verfügt über Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Man könnte daraus Wasserstoff-Ionen und ein Hydroxid-Ion bilden. Was passiert, wenn man Natrium hinzugibt? Die Antwort ist wenig prosaisch; nichts. Mit trockenem Ether findet keine Reaktion statt. Wir schlussfolgern, und das ist nicht selbstverständlich: Natrium ist ein Reagenz auf Wasserstoff-Ionen, H+, oder, in wässriger Lösung ist das das gleiche, auf Hydronium-Ionen, H3O+. Zweitens: Wir weisen die Ionen nach. Eine gute Möglichkeit besteht in der Reaktion mit Aluminium. Aluminium reagiert mit Säure, aber auch mit Base. Ein Beispiel für eine Säure ist Salzsäure, HCl, eine typische Base ist Natronlauge, NaOH. Geben wir zu einer Säure oder Base Aluminium, so kommt es zu einer Gasentwicklung, eine Reaktion setzt ein. Aluminium reagiert sowohl mit Säuren als auch mit Basen. Man sagt auch, Aluminium ist amphoter. Mit Salzsäure reagiert Aluminium so: 6HCl+2Al2AlCl3+3H2. Es entstehen Aluminiumchlorid und Wasserstoff. Mit der Base der Lauge Natriumhydroxid ist die Reaktion etwas 2H++MgMg2++H2. Im basischen Medium mit Natronlauge findet eine Reaktion nicht statt, Hydroxid-Ionen greifen das Magnesium nicht an. Wir stellen fest: Magnesium ist ein Reagenz auf Wasserstoff-Ionen. Wenn kein Magnesium bei der Hand ist, kann man den Nachweis auch mit Eisen ausführen. Eisennägel gehen auch, nur läuft die Reaktion viel langsamer als mit Magnesium ab. Viertens: Basennachweis. Eine Möglichkeit besteht in der Reaktion mit festem Ammoniumchlorid, man nennt es auch Salmiak. In die Lösung mit der Base gibt man das feste Ammoniumchlorid. Es kommt zu Gasentwicklung und man nimmt einen stechenden Geruch wahr. Ammoniumchlorid reagiert mit den Hydroxid-Ionen. Es bilden sich Wasser, Chlorid-Ionen und Ammoniak, NH3. Ammoniak kann man mit Kupfersulfatlösung nachweisen. Es bildet sich ein dunkelblauer Kupfer(2)-Tetramminkomplex. Eine zweite Möglichkeit des Basennachweises besteht in der Behandlung mit Jod. Zur Base in dem Becherglas gibt man feste Jodkristalle. Jod löst sich auf, die typische Jodfarbe verschwindet. Es reagiert zum Beispiel Natriumhydroxid mit Jod zu einem Salz, NaOI, und einem weiteren Salz, NaI, außerdem entsteht Wasser, H2O. Als Ionenreaktion schreiben wir: 2OH-+I2OI-+I-+H2O. OI- und I- sind farblose Ionen, daher verschwindet die Farbe des Jods. Wir stellen fest: Salmiak und Jod sind Reagenzien auf Hydroxid-Ionen. Fünftens: Indikatoren. Ich verweise auf die entsprechenden Videos, möchte hier nur einige Indikatoren mit ihren Farben im Sauren und im Basischen nennen. Im Sauren rot sind Methylorange, Methylrot und Lackmus. Im Basischen sind Thymolblau, Thymolphthalein und Lackmus von blauer Farbe. Phenolphthalein ist im Basischen rosa. Unitest ist ein Indikator, der sowohl Säuren als auch Basen anzeigen kann. Sechstens: Zusammenfassung. Wasserstoff-Ionen im Wasser kann man mit Natrium nachweisen. Wasserstoff-Ionen oder Hydroxid-Ionen werden durch Aluminium angezeigt. Magnesium und Eisen sind Reagenzien auf Wasserstoff-Ionen. Mit Ammoniumchlorid und Jod kann man Hydroxid-Ionen nachweisen. Einige Indikatoren sind bei Anwesenheit von H+-Ionen rot, genau wie einige durch OH--Ionen blau werden, Phenolphthalein wird im Basischen rosa, Unitest ist ein Universalindikator, der sowohl Säuren als auch Basen anzeigt. Und schon sind wir wieder am Ende. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkenne die Reagenzien zum Hydronium-Ionen-Nachweis.

    Tipps

    Unedle Metalle sind ein guter Nachweis, da sie Wasserstoffgas bilden.

    Aluminium ist ein amphoterer Stoff.

    Alkalimetalle reagieren meist heftig mit Wasser und Gasentwicklung.

    Lösung

    Der Nachweis für Hydronium-Ionen oder auch einfach Protonen erfolgt in der Chemie entweder über eine pH-Messung, oder indem man einen Nachweis mit verschiedenen Stoffen führt. Dieser Nachweis zeigt, dass besonders die (Erd-)Alkalimetalle wie etwa Natrium/Magnesium mit Wasser heftig reagieren. Es bildet sich das entsprechende Metall-Hydroxid und Wasserstoff. Die Reaktion wird immer heftiger, je weiter man in der Gruppe nach unten geht. Ebenfalls kann man mit einer starken Säure, die vollständig dissoziert, also ihre Protonen abgibt, auch den Nachweis mit etwa Eisennägeln oder Aluminium führen. Es entsteht in diesem Fall das entsprechende Metall-Chlorid, und Wasserstoff. Aluminium ist jedoch amphoter, kann also auch als Basennachweis benutzt werden, da es sowohl mit Säuren als auch mit Basen reagiert.

  • Beschreibe die Reaktionen zum Nachweis der Hydronium-/Hydroxid-Ionen

    Tipps

    Hydronium-Ionen sind: ${ H }^{ + }$, Hydroxid-Ionen sind: ${ OH }^{ - }$.

    Der Säurenachweis erfolgt oft über Wasserstoffgasentwicklung.

    Aluminium ist amphoter, es reagiert mit Säuren und Basen.

    Ammoniumchlorid wird umgangssprachlich auch Salmiak genannt.

    Ammoniak hat einen stechenden, markanten Geruch.

    Lösung

    Es gibt verschiedene Möglichkeiten, neben dem Indikator, Hydronium-/Hydroxid-Ionen nachzuweisen: Zunächst muss gesagt werden, dass Wasser einer Autoprotolyse unterliegt, sodass auch Wasser Hydronium- und Hydroxid-Ionen, wenn auch nur in geringen Konzentrationen, enthält. Diese kann man mit Natrium nachweisen. In einer heftigen Reaktion bildet sich Natriumhydroxid, welches man nicht mehr sehen kann, da es in Lösung vorliegt Jedoch kann die Gasentwicklung des Wasserstoffs bemerkt werden.

    Etwa derselbe Nachweis über Wasserstoffgas entsteht, wenn man Aluminium mit einer starken Säure wie etwa Salzsäure umsetzt. Es entsteht Aluminiumchlorid und Wasserstoffgas. Auch kann man Hydroxid-Ionen nachweisen, da Aluminium amphoter ist und sowohl mit Säuren als auch mit Basen reagiert.

    Der Hydroxid-Ionen-Nachweis verläuft über die Reaktion mit Ammoniumchlorid. Es entsteht Ammoniak, welches einen charakteristisch stechenden Geruch verströmt.

  • Bestimme die Indikatoren, die unter gegebenen Bedingungen rot sind.

    Tipps

    Manche Indikatoren haben die entsprechende Umschlagsfarbe in ihrem Namen.

    Lösung

    Die verschiedenen Indikatoren sind wichtige Mittel, um den pH-Wert, also die Konzentration der Hydronium-Ionen, zu bestimmen.

    Die Umschlagspunkte der Indikatoren im sauren/basischen Bereich sind sehr verschieden. Beispielsweise ist Phenolphthalein im sauren und neutralen Bereich farblos, es wird jedoch im Basischen rosa, wodurch es gut für z.B. Titrationen geeignet ist. Methylorange/rot und Lackmus dagegen werden im sauren Milieu, also bei einem niedrigen pH-Wert, rot.

    Thymolblau, Thymolphthalein und Lackmus sind im basischen Milieu blau. Wenn ein Indikator verwendet wird, sollte man vorher also wissen, welche Farbe er in welchem Milieu besitzt.

  • Entscheide, welche Farbe Lackmus bei den genannten Verbindungen besitzt.

    Tipps

    Lackmus ist im Sauren rot, im Basischen blau und im Neutralen violett.

    Wasser unterliegt der Autoprotolyse.

    ${ H }_{ 3 }CC{ H }_{ 2 }OH$ ist Ethanol oder auch umgangssprachlich Alkohol.

    Lösung

    Um Hydronium- oder Hydroxid-Ionen nachweisen zu können, benötigt man entweder einen Reaktionspartner, der charakteristische Reaktionsprodukte liefert wie etwa die Reaktion von Hydroxid mit Salmiak, wobei stechend riechendes Ammoniak entsteht, oder die Reaktion mit einem Indikator.

    Lackmus bietet sich hier besonders an, da er verschiedene Umschlagsbereiche hat, die im sauren, basischen und neutralen Milieu eine unterschiedliche Farbe zeigen. Im Sauren ist Lackmus rot, im Neutralen violett und im Basischen blau.

    Nun muss man jedoch noch wissen, welche Stoffe Hydroxid-Ionen oder Hydronium-Ionen enthalten.

    Hierbei sind die Säuren in dieser Aufgabe die Schwefelsäure (${ H }_{ 2 }{ SO }_{ 4 }$) und die Salzsäure ($HCl$). Neutral dagegen ist das Wasser (${ H }_{ 2 }O$) und das Ethanol (${ H }_{ 3 }CC{ H }_{ 2 }OH$). Basische Stoffe sind das Natriumhydroxid ($NaOH$) und Ammoniak (${ NH }_{ 3 }$).

  • Erkläre den Ionen-Nachweis.

    Tipps

    Zink ist ein unedles Metall und amphoter wie Aluminium.

    Die Knallgasprobe reagiert auf gasförmigen Wasserstoff mit Flammenbildung und einem lauten Knall.

    Bei der Reaktion von Ammoniumchlorid mit Hydroxid-Ionen entsteht unter anderem stechend riechendes Ammoniak und Wasser.

    Lösung

    Die verschiedenen Ionen der Säuren und Basen nachzuweisen, fällt mitunter recht schwer, wenn man keinen Universalindikator zur Hand hat. Es gibt dennoch einige generelle Regeln:

    Säure reagiert mit einem unedlen Metall zu dem entsprechenden Metall-Anion-Salz und gasförmigen Wasserstoff. Diese unedlen Metalle können sowohl Aluminium als auch Zink sein. Den gasförmigen Wasserstoff kann man mit bloßem Auge schlecht wahrnehmen, daher benutzt man die sogenannte Knallgasprobe. Man sammelt den Wasserstoff in einem Reagenzglas und entzündet das Gemisch mit einem Glimmspan. Es knallt und es bildet sich eine Flamme.

    Zink ist ebenfalls amphoter, sodass sich auch Basen nachweisen lassen: Mit Hydroxid-Ionen bildet sich ein charakteristisches Salz $Na[Al(OH{ ) }_{ 4 }]$ und Wasserstoff. Auch hier bietet sich die Knallgasprobe an. Eine weitere charakteristische Reaktion für den Basennachweis ist die Reaktion des Salzes Ammoniumchlorid mit Hydroxid-Ionen. Es bildet sich das charakteristisch riechende Ammoniak, Wasser und Chlorid-Ionen

    (${ NH }_{ 4 }Cl\quad +\quad { OH }^{ - }\quad \rightarrow \quad N{ H }_{ 3 }\quad +\quad { H }_{ 2 }O+\quad { Cl }^{ - }$).

    Das Ammoniak kann zum weiteren Nachweis noch mit Kupfersulfat versetzt werden, bis sich der tiefblaue Komplex bildet.

  • Ermittle die pH-Bereiche folgender Verbindungen.

    Tipps

    Salzsäure dissoziiert beinahe vollständig.

    pH 7 bedeutet neutral, darunter ist der saure, darüber der basische Bereich.

    Lösung

    Um nachzuweisen, ob und wie viele Hydronium/Hydroxid-Ionen sich in einer wässsrigen Lösung befinden, kann man einen pH-Universalindikator verwenden. Diesen taucht man in die Lösung, die am besten gut durchmischt werden sollte, und man kann den pH-Wert anhand der Farbe ablesen.

    In diesem Fall sollte die Basen/Säurenstärke bestimmt werden, die sehr wichtig ist, da sie zeigt, wie viele ${ H }_{ 3 }{ O }^{ + }$ und ${ OH }^{ - }$ Teilchen in der Lösung sind. Der abgebildete Universalindikator zeigt das mögliche Spektrum. Salzsäure als eine der stärksten Säuren und dissoziiert zu 90%. Das bedeutet, dass sie mit Wasser überwiegend ${ H }_{ 3 }{ O }^{ + }$ und $Cl^-$ Moleküle bildet und so ein Überschuss an Hydronium-Ionen vorhanden ist. Der pH-Wert ist also sehr niedrig. Essigsäure dagegen, als wenig starke Säure, dissoziiert kaum in ihre Ionen, sodass sie auch keinen so niedrigen pH-Wert vorweisen kann.

    Wasser besitzt wegen der Autoprotolyse einen pH-Wert von 7. Eine stärkere Base ist Ammoniak, welche mit Wasser Ammonium(${ NH_4} ^{ + }$)- und ${ OH }^{ - }$-Ionen bildet. Natronlauge dissoziert vollständig, weshalb mehr Hydroxidionen in Lösung vorliegen und damit auch der pH-Wert höher ist.

    Natürlich müssen die pH-Werte in Relation zueinander gesehen werden, denn durch die Konzentration der Lösung kann der pH-Wert natürlich auch beeinflusst werden.