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Starke und schwache Säuren

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André Otto
Starke und schwache Säuren
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Starke und schwache Säuren

Inhalt

Starke und schwache Säuren – Chemie

Sowohl starke als auch schwache Säuren sind dir sicher im Alltag schon begegnet. Die Salzsäure in deinem Magen ist eine starke Säure, während die Essigsäure, die dir beim Kochen begegnet, eine schwache Säure ist. Wie starke und schwache Säuren unterschieden werden, erfährst du im folgenden Text.

Was sind starke und schwache Säuren?

Die Säurestärke, auch Acidität genannt, wird über den $K_s$-Wert und den $pK_s$-Wert bestimmt. Um den Unterschied zwischen einer starken und einer schwachen Säure zu verstehen, schauen wir uns die zugrunde liegende Reaktionsgleichung an.
Säuren liegen in einer Gleichgewichtsreaktion vor, bei der die Säure ($HA$) in Wasser ($\ce{H2O}$) zu einem Wasserstoffion, auch Proton genannt ($\ce{H+}$), und einem Säureanion ($\ce{A-}$) dissoziiert. Mit der Reaktionsgleichung wird die erste Dissoziationsstufe beschrieben.
Achtung: Mehrprotonige Säuren, also Säuren mit mehr als einem Wasserstoffatom, dissoziieren in mehreren Stufen, wobei immer ein Wasserstoffion abgegeben wird. Beispiele hierfür wären die Schwefelsäure ($\ce{H2SO4}$) und die Phosphorsäure ($\ce{H3PO4}$).

$\ce{HA <=>[H2O] A- + H+}$

Da es sich dabei um eine Reaktion im Gleichgewicht handelt, kann mithilfe der Reaktionsgleichung über das Massenwirkungsgesetz die Säurekonstante $K_s$ berechnet werden:

$ K_s = \frac{ [{\ce{A-}}] \cdot [{\ce{H+}}] }{ [{\ce{HA}}]} $



Die Säurekonstante variiert über mehrere Größenordnungen, sodass es sich als praktisch erwiesen hat, die Säurestärke logarithmisch über den $pK_s$-Wert darzustellen. Dieser berechnet sich über den negativen dekadischen Logarithmus der Säurekonstante $K_s$ nach folgender Gleichung.

$ pK_s = - \lg K_s $

Starke Säuren – Definition

Starke Säuren dissoziieren vollständig in Wasser, sodass in wässriger Lösung nur die Säureanionen und Protonen vorliegen. In wässriger Lösung liegt die starke Säure also nicht in undissoziierter Form vor. Die Gleichgewichtsreaktion einer starken Säure liegt demzufolge auf der rechten Seite, der Seite der Produkte, der oben genannten Reaktionsgleichung. Durch die vollständige Dissoziation der Säure vereinfacht sich die Berechnung der Säurekonstante $K_s$ zu folgender Gleichung. Die Konzentration der Säure ($[HA]$) wird sehr klein, sodass die Säurekonstante $K_s$ einen Wert größer eins annimmt.

$K_s = \frac{[{\ce{A-}}] \cdot [{\ce{H+}}]}{[\ce{HA}]}>>1$

Das Einsetzen der Säurekonstante $ K_s$ in die Gleichung zur Berechnung des $pK_s$-Werts ergibt dann für starke Säuren einen negativen $pK_s$-Wert.

$ pK_s = - \lg { (K_s >> 1)} < 0 $

Schwache Säuren – Definition

Schwache Säuren dissoziieren nicht vollständig in wässriger Lösung, sodass diese sowohl undissoziiert als auch dissoziiert vorliegen. Es liegt eine Gleichgewichtsreaktion vor, bei der die Säurekonstante einen Wert kleiner oder gleich eins annimmt.

$ K_s = \frac{ [{\ce{A-}}] \cdot [{\ce{H+}}] }{ [{\ce{HA}}]} \le 1$

Du siehst nun leicht, dass, wenn die Säurekonstante $K_s$ einen Wert kleiner eins annimmt, der $pK_s$-Wert positiv wird. Für schwache Säuren liegt also ein positiver $pK_s$-Wert vor.

$ pK_s = - \lg { (K_s \le 1)} > 0 $

Starke und schwache Säuren – Beispiele

Die Tabelle beinhaltet eine Liste an Beispielen für starke und schwache Säuren mit ihren Reaktionsgleichungen in wässriger Lösung, der Säurekonstanten $K_s$ und dem $pK_s$-Wert. Die Säurestärke nimmt von oben nach unten zu. Analog dazu gibt es übrigens auch die Begriffe der starken und schwachen Basen. Die Basenstärke ist größer, je kleiner die Säurestärke ist und umgekehrt.

Säure Reaktionsgleichung $K_s$ $pK_s$
Wasser ($\ce{H2O}$) $\ce{H2O <=>[H2O] H+ + OH-}$ $10^{-16}$ $16$
Schwefelwasserstoff ($\ce{H2S}$) $\ce{H2S <=>[H2O] H+ + HS-}$ $10^{-7}$ $7$
Essigsäure ($\ce{CH3COOH}$) $\ce{ CH3COOH <=>[H2O] CH3COO- + H+}$ $10^{-5}$ $5$
Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$) $\ce{ HF <=>[H2O] F- + H+}$ $10^{-3}$ $3$
Salpetersäure ($\ce{HNO3}$) $\ce{ HNO3 <=>[H2O] H+ + NO3-}$ $10^{1,5}$ $-1,5$
Schwefelsäure ($\ce{H2SO4}$) $\ce{ H2SO4 <=>[H2O] H+ + HSO4-}$ $10^{2}$ $-2$
Salzsäure ($\ce{HCl}$) $\ce{ HCl <=>[H2O] H+ + Cl-}$ $10^{6}$ $-6$
Perchlorsäure ($\ce{HClO4}$) $\ce{ HClO4 <=>[H2O] H+ + ClO4-}$ $10^{10}$ $-10$

Starke und schwache Säuren – Zusammenfassung

Starke und schwache Säuren unterscheiden sich hinsichtlich ihres Dissoziationsgrads und sind unabhängig vom $pH$-Wert. Während starke Säuren vollständig in wässriger Lösung dissoziieren, liegen schwache Säuren auch undissoziiert vor. Die Eigenschaften und Merkmale von starken und schwachen Säuren kannst du der Tabelle entnehmen.

Starke Säuren Schwache Säuren
Gleichgewichtskonstante $K_s$ $ K_s >> 1 $ $ K_s \le 1 $
$pK_s$-Wert $ pK_s < 0 $ $ pK_s > 0 $
Konzentration dissoziierte Säure hohe Konzentration an $\ce{[H+]}$ bzw. $\ce{[A-]}$ niedrige Konzentration an $\ce{[H+]}$ bzw. $\ce{[A-]}$

Dieses Video

In dem Video lernst du den Unterschied zwischen starken und schwachen Säuren kennen und erfährst, an welchen Merkmalen du diese erkennen kannst. Die Stärke von Säuren ist abhängig von ihrem Dissoziationsgrad und wird über die Säurekonstante $K_s$ bestimmt.
Im Anschluss an dieses Video und den Text findest du Arbeitsblätter mit Übungen für starke und schwache Säuren, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Starke und schwache Säuren

Hallo meine Lieben, hier bin ich wieder. Es geht heute wieder um Säuren, bereits in der 16. Folge. Bevor wir aber starten mit unserem Thema, starke und schwache Säuren, möchte ich euch aber noch in Erinnerung bringen, was wir in Teil 15 Säuren besprochen haben. Dort ging es um den Ks-Wert und den pKs-Wert. Und ich sagte euch, dass diese beiden Größen eingeführt wurden, um die Säurestärke, man kann auch sagen Acidität, zu definieren. Ungeeignet für die Bestimmung der Säurestärke ist der pH-Wert. Darauf kommen wir noch zurück. Aber das könnt ihr euch vielleicht schon mal merken. So, wir hatten gesagt, dass man die Dissoziation der Salzsäure durchaus nach gut väterlicher Methode beschreiben kann. Nämlich ohne Hydroniumion. Wenn man nämlich im Hinterkopf behält, dass H+ nicht für das nackte Proton, sondern für das solvatisierte Wasserstoff-Ion stehen soll. Daraus ergibt sich entsprechend die Gleichung für die Gleichgewichtskonstante, nach dem Gesetz von Guldberg Waage, Massenwirkungsgesetz. Entsprechend Quotient aus Konzentration des Produktes, der Reaktionsprodukte, dividiert durch Ausgangsstoffkonzentration. So und dieser Wert K wird mit dem Index S versehen. Wir sprechen dann auch von der sogenannten Säurekonstanten. Für Chlorwasserstoffsäure, Salzsäure, werden in der Literatur Werte um die 106 genannt. So und damit man nicht mit solchen großen Zahlen hantieren muss, sagte ich euch, wo wird der pKs-Wert eingeführt. Und das ist der negative, dekadische Logarithmus, des Wertes Ks, der Säurekonstanten. Und entsprechend, nach einigen Umformungen, Logarithmen Gesetzen, erhalten wir für Chlorwasserstoffsäure, Salzsäure, einen Wert pKs=-6. Chlorwasserstoffsäure, Salzsäure, ist eine starke Säure. Das zur Einführung. Das zu den Ks- und pKs-Werten. So, das wäre es und jetzt beginnen wir mit dem eigentlichen Thema. So, und schon sind wir beim Thema. Säuren (16) - Starke und schwache Säuren Allgemein können wir die Dissoziationsgleichung einer Säure unter Berücksichtigung der Abspaltung eines Protons, 1. Dissoziationsstufe, wenn mehrere möglich sind, einfach formulieren als: HA dissoziiert in wässriger Lösung in ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion, hydratisiert, solvatisiert und ein negativ geladenes Säurerest-Ion. Entsprechend erhalten wir nach dem Massenwirkungsgesetz die Gleichung H+(Konzentration)×A-(Konzentration)/HA(Konzentration)=Gleichgewichtskonstante mit Index s versehen Ks(Säurekonstante). Also noch mal, ich unterstreiche, ich betone, 1. Dissoziationsstufe, bei Säuren wie Schwefelsäure, H2SO4 oder Phosphorsäure H3SO4, soll sich nur das 1. Wasserstoff-Ion ablösen. Darum geht es nur. Und als Nächstes haben wir gesagt, die Säurekonstante, der Ks-Wert, kann geschrieben werden als pKs=-lgKs. Damit erhalten wir Werte zwischen 0 und 10 bei den meisten Säuren. Manchmal auch mit negativen Vorzeichen, wie wir hier gesehen haben. So, und jetzt möchten wir etwas kabbelieren. Es gibt riesengroße Tabellen, ich habe 8 Vertreter ausgewählt, ich hoffe, dass die meisten 4, 5, 6, 7 euch bekannt sind. Und wir beginnen, ihr werdet euch etwas wundern, aber ich beginne damit mit Wasser. Denn auch Wasser kann man als Säure bezeichnen. Und wenn wir dann beim Wasser sind, dann hat Wasser einen Ks-Wert, ich möchte wirklich nur auf ganze 10er Potenzen runden, von 10^-16. Ich möchte mich jetzt nicht rumstreiten, 10^-16. So, pKs, der negative dekadische Logarithmus, das heißt ich nehme nur die Hochzahl, den Exponenten und versehe ihn mit einem negativen Vorzeichen. -×-=+, also 16. Als nächste Säure möchte ich Schwefelwasserstoff nehmen. H2S, das ist das, was nach faulen Eiern riecht. Äußerst gefährliche Säure, aber nicht sehr starke Säure. Sie hat einen Ks-Wert von etwa 10^-7. Wenn ich pKs nehme, wieder den Exponenten mit entgegengesetztem Vorzeichen, erhalte ich 7. Als Nächstes nehme ich Essigsäure, CH3COOH, ist etwas stärker. Gerundet auf ganze Potenz erhalten wir den Ks-Wert von 10^-5. Die habe ich jetzt nicht hergeleitet, das sind Literaturwerte. Nicht dass sich jemand wundert, wo hat der Otto die ganzen Werte her. So -5 im Exponenten macht als pKs-Wert 5. Als Nächstes Fluorwasserstoffsäure, Flusssäure, eine ganz gefährliche Säure. Aber eine relativ noch schwache Säure. Und zwar hat sie einen Ks-Wert von 10^-3. So Fluorwasserstoffsäure, ja, wenn ich hier hinten was aufschreibe, beim Exponenten erhalte ich 3. Und wir machen weiter. Salpetersäure, Salpetersäure hat einen Wert von etwa 101,5, eigentlich müsste ich schreiben 1,3, aber ich wollte ganzzahlige Werte haben, halte mich in der Mitte. So, da sind wir schon im negativen Bereich, -1,5, bei einer starken Säure. So, wir machen weiter mit Schwefelsäure als Nächstes. Und da haben wir einen Wert von 102. Und 102, Exponent mit entgegengesetzten Vorzeichen, macht -2. Dann Chlorwasserstoffsäure, Salzsäure 106, haben wir bereits besprochen. Und macht dann beim pKs-Wert, einen Wert von -6. Und als Letztes haben wir noch Perchlorsäure, da wurde ein Wert von 1010 ermittelt. Wir erhalten also für den Ks-Wert 1010, für den pKs-Wert, Exponent, entgegengesetztes Vorzeichen, -10. Jetzt werdet ihr sicher sagen, schöne Tabelle, hast gar nicht dran geschrieben, was es ist. Naja, erinnern wir uns mal, was war hier oben? Wasser, Formel H2O, richtig H2O. Darunter war was? Schwefelwasserstoff, H2S, ist das, was nach faulen Eiern riecht, sehr gefährlich, genauso gefährlich wie Blausäure. Hier unten haben wir die Essigsäure, kennt noch jemand die Formel? CH3COOH, also ich sehe es an den Werten, was es ist. Hier haben wir Flusssäure, Fluorwasserstoffsäure HF, ist immer gemeint in wässriger Lösung. 101,5 ist Salpetersäure, Formel HNO3. Schwefelsäure, H2SO4, das solltet ihr wenigstens wissen, haben wir schon mal drüber gesprochen. Salzsäure solltet ihr auch wissen, Chlorwasserstoffsäure, HCL, ist in Ordnung. Und es bleibt noch übrig, ja, was bleibt eigentlich noch übrig? Die Perchlorsäure, HCLO4, ganz ganz starke Säure. So, das war es, damit steigt also die Säurestärke von oben nach unten. Und in dem Maße, wie der Ks-Wert ansteigt, fällt der pKs-Wert. Erinnert euch ein bisschen, so wie pH-Wert. Ist doch ein schönes Ergebnis, schöne Tabelle. Seit ihr zufrieden? Ich bin es eigentlich. Ich wünsche euch alles Gute, bis zum nächsten Mal! Tschüss!

8 Kommentare

8 Kommentare
  1. Hallo Miroslav,
    in der Gesamtheit wohl nicht: Nur so viel:
    Carbonsäuren -COOH sind stärkere Säuren als der Rest. Die Ursache ist der elektronenziehende Effekt (-I - Effekt) in Kombination mit der Stabilisierung des Anions -COO(-), das nach der Dissoziation entsteht. Die Säurestärke wird durch Chlor - Atome verstärkt. Dabei spielt eine Rolle, wie viel Cl - Atome im Molekül vorliegen (1, 2 oder 3) und in welcher Stellung sie sich befinden (2- oder 3-). 2- bezeichnete Nachbarschaft zu -COOH, 3- befindet sich um eine Position weiter, zieht Elektronen schwächer.
    Nach den Carbonsäuren kommt Phenol, das durch die Mesomeriestabilisierung des Phenoxy - Ions (Anions) ebenfalls (schwach) sauer ist. Es folgt der Alkohol Ethanol, der durch die Hydroxy - Gruppe -OH (sehr schwach) sauer ist. Und schließlich endet die Reihe mit dem Aldehyd -CHO.
    Zum Anschauen:
    Ich habe Videos zur Essigsäure gedreht, wo gezeigt wird, warum diese Verbindung sauer ist.
    Es gibt ein Video "Phenol ist kein Alkohol" (so habe ich es zumindest benannt). Es wird erklärtt, warum Phenol sauer ist.
    Die Überlegungen zum induktiven Effekt sollten in einem Video/in Videos zu dem Thema dargelegt sein.
    Such mal ein bisschen.
    Übrigens: Diese Zusammenhänge lernt man nicht "nebenbei". Ein gründliches und systematisches Studium der organischen Chemie ist unbedingt notwendig.
    Ich drücke dir die Daumen und wünsche dir alles Gute und viel Erfolg.
    Viele Grüße
    André

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  2. Hallo
    Gibt es eine Video wo das Erklärt ist? Wovon hängt das?

    Viele Grüße
    Miroslav

    Von Petrovv92, vor mehr als 6 Jahren
  3. "Hallo
    ich habe folgende Aufgabe von meinem Prof. bekommen. Ordnen Sie folgende Verbindungen nach Säurestärke (Acidität). Ohne Zahlen ohne weiteren Angaben.
    2-Chlorpropansäure
    3-Chlorpropansäure
    Phenol
    Propanal
    Ethanol
    Essigsäure
    Trichloressigsäure
    Dichloressigsäure
    Kann ich die Säuren-stärke ohne pKs wert nummerieren? Gibt es irgend welche Definition?"
    Hallo,
    du meinst die Rangfolge (Ranking) nach der Säurestärke. Das ist recht einfach:
    1. Trichloressigsäure
    2. Dichloressigsäure
    3. 2-Chlorpropansäure
    4. 3-Chlorpropansäure
    5. Essigsäure
    6. Phenol
    7. Ethanol
    8. Propanal
    Das ist eine qualitative Aussage. Mehr ist nicht drin. Quantitative Aussagen (pKs oder Deprotonierungsenergien) muss man Tabellen entnehmen.
    Die Rangfolge ausführlich (und anders geht es nicht) zu erklären, würde hier zu weit führen.
    Viele Grüße
    André

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  4. Hallo
    ich habe folgende Aufgabe von meinem Prof. bekommen. Ordnen Sie folgende Verbindungen nach Säurestärke (Acidität). Ohne Zahlen ohne weiteren Angaben.
    2-Chlorpropansäure
    3-Chlorpropansäure
    Phenol
    Propanal
    Ethanol
    Essigsäure
    Trichloressigsäure
    Dichloressigsäure
    Kann ich die Säuren-stärke ohne pKs wert nummerieren? Gibt es irgend welche Definition?

    Von Petrovv92, vor mehr als 6 Jahren
  5. So, nun habe ich 5 Jahre darauf gewartet. Aber nun geht es nicht mehr; natürlich hat Schwefelsäure einen Wert von pKs = -3 und nicht -2. Zumindest in der neueren Literatur.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
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