Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen

Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen Übung

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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 (${ NH }_{ 3 }$).