Säuren und Basen auf Teilchenebene

Beobachtung

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch

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Zu Beginn des Versuchs ist die Lösung in beiden Kammern aufgrund des Phenolphthaleins rötlich pink gefärbt (Abb. 4). Nach Anlegen der Spannung erkennst du an der Kathode (bei diesem Versuch Minuspol) eine Gasentwicklung und aufsteigende Gasblasen. In dieser Kammer bleibt die rote Farbe des Phenolphthaleins über den gesamten Versuch bestehen.

An der Anode (bei diesem Versuch Pluspol) entfärbt sich langsam die Farbe der Lösung. Erst siehst du noch Farbschlieren, später ist die Lösung komplett entfärbt (Abb. 5). Zudem kannst du ebenfalls eine Gasentwicklung erkennen.

Das Indikatorpapier ist am Anfang am Rand leicht blau gefärbt. Die blaue Färbung zeigt einen basischen pH-Wert an. An der Anode bleibt die Blaufärbung des Indikatorpapiers gering. An der Kathode färbt sich das Indikatorpapier deutlich stärker blau (Abb. 6).

Ergebnis

In der Lösung liegt ein Gleichgewicht der Base- und Wasser-Molekülen mit den Hydroxid- und Base-Rest-Ionen vor. Ammoniak-Moleküle stehen mit Wasser-Molekülen im Gleichgewicht mit Ammonium- und Hydroxid-Ionen:

\(\ce{NH3 + H2O <=> NH4^+ + OH^-}\)

Legst du in dieser Lösung eine Spannung an, finden Redox-Reaktionen statt. An der Anode werden Hydroxid-Ionen zu Wasser- und Sauerstoff-Molekülen oxidiert und geben dabei Elektronen ab. Die Konzentration der Hydroxid-Ionen in der Lösung nimmt dadurch ab. Die Hydroxid-Ionen sind für die basische Eigenschaft der Lösung verantwortlich. Deswegen sinkt in dieser Kammer der pH-Wert und das Phenolphthalein entfärbt sich. Die Entwicklung von Sauerstoff erkennst du an der Gasentwicklung.

An der Kathode werden die Ammonium-Ionen zu Ammoniak- und Wasserstoff-Molekülen reduziert und nehmen dabei Elektronen auf. Dadurch, dass sich die Konzentration der Ammoniak-Moleküle erhöht, verflüchtigt sich auch mehr Ammoniak. Die Ammoniak-Moleküle

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch

in dem Ammoniak-Dampf reagieren mit den Wasser-Molekülen auf dem Indikatorpapier zu Hydroxid- und Ammonium-Ionen. Dadurch verfärbt sich das Indikatorpapier vermehrt blau und zeigt somit einen pH-Wert im basischen Bereich an. Die Entwicklung von Wasserstoff erkennst du an der Gasentwicklung.

Oxidation (Anode): \(\ce{4 OH^- -> 2 H2O + 2 O2 + 4 e^-}\)

Reduktion (Kathode): \(\ce{4 NH4^+ + 4 e^- -> 4 NH3 + 2 H2}\)

Redox-Reaktion: \(\ce{4 OH^- + 4 NH4^+ -> 2 H2O + 2 O2 + 4 NH3 + 2 H2}\)

Was sagt dir dieses Versuchsergebnis über die Zusammensetzung von Basen?

In dem Becherglas befindet sich zu Versuchsbeginn in beiden Versuchskammern die selbe Ammoniak-Lösung. Der Indikator zeigt einheitlich für beide Versuchskammern einen basischen pH-Wert an. Wenn nun elektrolysiert wird, so reagieren in der Kammer, in der die Oxidation abläuft, die Hydroxid-Ionen zu Wasser- und Sauerstoff-Molekülen. Dadurch, dass sich hier der Indikator verändert, sind die Hydroxid-Ionen für den basischen Charakter verantwortlich.

In der Kammer, in der die Reduktion abläuft, ist keine Änderung des pH-Wertes beobachtbar. In dieser Versuchskammer reagieren Ammonium-Ionen zu Ammoniak- und Wasserstoff-Molekülen. Die Ionen, die reduziert werden, sind die Base-Rest-Ionen. Alle Basen bestehen in wässriger Lösung aus einem Gleichgewicht mit Hydroxid-Ionen und Base-Rest-Teilchen.