Säure-Base-Reaktionen

3 Säure-Base-Reaktionen als Protonenübergänge

3.1 Säuren und Basen nach Brønsted

Säuren geben Protonen ab (Protonendonatoren).
Basen nehmen Protonen auf (Protonenakzeptoren).

3.2 Protolysen und Protonenübergänge

Bei Protolysen oder Säure-Base Reaktionen werden Protonen von Säuren auf Basen übertragen. (Protonenübergänge).

A−H + |B → HB+ + A|
Beim Protonenübergang wird die kovalente Bindung am H-Atom der Säure gespalten und zum freien Elektronenpaar. Durch den Abgang des positiv geladenen Protons wird die Ladung um eine Elementarladung vermindert. Das freie Elektronenpaar der Base bildet eine kovalente Bindung mit dem H-Atom. Die Aufnahme des Protons erhöht die Ladung um eine Elementarladung.

Beispiele
(i) Chlorwasserstoff und Wasser 











(ii) Ammoniak und Wasser 











(iii) Chlorwasserstoff und Ammoniak 








Aufgaben

1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Protolysen für folgende allgemeine Formeln für Säuren und Basen. Achten Sie dabei auf die richtige Zuordnung der Ladungen. 
(i) A−H + |B



(ii) A−H+ + |B



(iii) A−H+ + |B



2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen folgender Protolysen zuerst mit Summenformeln und dann mit Strukturformeln und geschwungenen Pfeilen um die Protonenübergänge zu verdeutlichen.
(i) Schwefelwasserstoff(g) als Säure und Wasser als Base 










(ii) Hydrogensulfid als Säure und Wasser als Base 










(iii) Blausäure (HCN(g)) und Ammoniak(g) 











3.3 Korrespondierende Säure-Base-Paare

Wenn eine Säure ein Proton abgibt bildet der Säurerest die korrespondierende Base. Wenn eine Base ein Proton aufnimmt wird die korrespondierende Säure gebildet. Es sind also immer zwei Säure/Base-Paare an einer Protolyse beteiligt.
 HA   +   B   →   A   +   BH  Säure/Base-Paare 
S1  B2  B1  S2  HA/A und BH/B

Aufgaben
1. Vervollständigen Sie folgende Tabelle mit den chemischen Formeln der korrespondierenden Säuren bzw. Basen. 
Säure Base
 HI   

 

 NH3 
 NH3   

  H2O 
Säure Base
 HCOOH   

 

CH3COO
HPO42−  

  CO32−
Säure Base
  

HPO42−
 

 Cl
 HClO   

CH3NH3+  

2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen in wässriger Lösung (das zuerst angegebene Teilchen reagiert als Säure). Geben Sie beide an der Reaktion beteiligten Säure-Base-Paare an.   
(i) Salpetersäure + Sulfat-Ion








(ii) Ammonium-Ion + Sulfid-Ion








(iii) Hydrogensulfid-Ion + Hydroxid-Ion








(iv) Schwefelwasserstoff + Acetat-Ion








(v) Hydrogencarbonat-Ion + Hypochlorit-Ion (ClO)








(vi) Hydrogenphosphat-Ion + Ammoniak








3.4 Ampholyte

Ampholyte oder amphotere Teilchen verhalten sich je nach Reaktionspartner als Säure oder als Base.

Beispiel
Wasser als Säure und Base
H2O(l) + H2O(l) → H3O+(aq) + OH(aq)    (Autoprotolyse des Wassers)
H2O kann sowohl Protonen abgeben (Säurecharakter) wie auch aufnehmen (Basecharakter). Wasser ist ein Ampholyt.
 |BBH+ |BBH+    Säure/Base-Paare
H3O+    H2O    OHH3O+/H2O und H2O/OH
A HAA HA

In wässrigen Lösungen ist H3O+ die stärkste mögliche Säure und OH die stärkste mögliche Base. In wässriger Lösung ist ein Teilchen dann ein Ampholyt, falls es sowohl mit H3O+ wie auch mit OH reagieren kann.

Aufgaben
1. Bestimmen und begründen Sie welche der folgenden Teilchen in wässriger Lösung amphoter sind. Formulieren Sie jeweils die möglichen Reaktionen mit H3O+ und OH.  
 
(i) Carbonat-Ion







(ii) Phosphit-Ion








(iii) Hydrogensulfid-Ion








(iv) Hydrogensulfit-Ion








2. Beim Auflösen von Natriumhydrogencarbonat in Wasser, bildet sich eine alkalische Lösung. Beim Auflösen von Natriumhydrogensulfat in Wasser, bildet sich eine saure Lösung. Deuten Sie die beschriebenen Beobachtungen.   


















3.5 Mehrwertige oder mehrprotonige Säuren

Mehrwertige oder mehrprotonige Säuren enthalten mehrere Wasserstoffatome, welche stufenweise als Protonen abgegeben werden können. Mehrwertige Basen können stufenweise mehrere Protonen annehmen.

Während die erste Protolyse mit Wasser als Base je nach Säure noch vergleichsweise leicht erfolgt, wird die Abspaltung von weiteren Protonen in Wasser immer schwieriger. Ein geringerer Anteil der Säure wird umgesetzt. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Beispiele
(i) Phosphorsäure in Wasser

H3PO4(aq) 

  +  

H2O(l) 

  ⇌  

H2PO4(aq)

  +  

H3O+(aq)

H2PO4(aq)

 + 

H2O(l) 

HPO42−(aq)

 + 

H3O+(aq)

HPO42−(aq)

+

H2O(l) 

PO43−(aq)

+

H3O+(aq)


H3PO4(aq) 

+

3 H2O(l) 

PO43−(aq)

+

3 H3O+(aq)


(ii) Natriumcarbonat-Lösung mit Salzsäure

Natriumcarbonat ist eine ionische Verbindung.
Lösungsgleichung: Na2CO3(s) → 2 Na+(aq) + CO32−(aq).
Salzsäure ist eine wässrige Lösung von Chlorwasserstoff. HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl(aq).
Die Protolyse findet zwischen Oxonium- und Carbonat-Ionen statt.

CO32−(aq)

  +  

H3O+(aq)

 → 

HCO3(aq)

  +  

H2O(l) 

HCO3(aq)

 + 

H3O+(aq)

CO2(aq) 

 + 

2 H2O(l) 


CO32−(aq)

 + 

2 H3O+(aq)

CO2(aq) 

 + 

3 H2O(l) 

Aufgaben
1. Formulieren Sie die Gleichungen für die schrittweise Protolyse von Schwefelsäure in Wasser mit Gesamtgleichung (erste Protolyse vollständig und zweite Protolyse als Gleichgewicht). 










2. Formulieren sie die schrittweise Protolyse von Natriumphosphat mit Salzsäure. 



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