Grundlagen

Säure-Base-Reaktion

Eine Säure-Base-Reaktion ist eine Protonenübergabe, auch Protolyse genannt. Dabei gibt die Säure ein Proton, ein H⁺, ab während die Base dieses Proton aufnimmt.

Säure: HNO₃ + Base: NH₃ ⇌ Base: NO₃^- + Säure: NH₄⁺

Ein H⁺ kann jedoch nur abgegeben werden, wenn das Elektron des H sehr stark angezogen ist und das H somit leicht von der Säure getrennt werden kann - d.h. Säuren sind polare Stoffe. Je polarer die H-Bindung, desto stärker die Säure.. Die Säure wird nach Abgabe eines Protons zu einer Base, die Base hingegen nach der Aufnahme eben dieses Protons zu einer Säure. Dadurch wird auch klar, dass jede Säure eine sogenannte konjugierte Base hat, als auch jede Base eine konjugierte Säure hat, z.B. HNO₃ (Salpetersäure) wird zu NO₃^- (Nitrat-Ion) und umgekehrt. Manche Stoffe können sowohl eine Säure als auch eine Base sein - diese nennt man Ampholyte. Ein wichtiges Beispiel dafür ist H₂O (wichtig für den pH-Wert). Ob ein Ampholyt als Säure oder als Base reagiert hängt von dessen Reaktionspartner ab: Es reagiert immer die stärkste Säure mit der stärksten Base. So wird Wasser, wenn es mit einer Säure reagiert, zu einer Base und es entsteht H₃O⁺ (siehe dazu Der pH-Wert), während bei einer Reaktion mit einer Base OH^- entsteht und die Base selbst zu einer Säure wird.

Säure: HCl + Base: H₂O ⇌ Konjugierte Base: Cl^- + Konjugierte Säure: H₃O⁺

Base: NH₃ + Säure: H₂O ⇌ Konjugierte Säure: NH₄⁺ + Konjugierte Base: OH^-

Ausserdem sind die Säuren häufig in Wasser gelöst, dies bezeichnet man mit dem Kürzel _(aq). Säure-Base-Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen, also wird aus einer Säure eine Base und daraus wieder eine Säure. Das Gleichgewicht liegt dabei auf der Seite der schwächeren Säure und der schwächeren Base, dies müssen nicht immer die Edukte sein sondern das Gleichgewicht kann auch auf der Seite der Produkte liegen.

Einige Säuren und ihre konjugierten Basen

Salpetersäure: HNO3	Nitrat-Ion: NO3-
Kohlensäure: H2CO3	Hydrogencarbonat-Ion: HCO3-
Hydrogencarbonat: HCO3- (Ampholyt!)	Carbonat-Ion: CO32-
Phosphorsäure: H3PO4 (daraus:H2PO4- und H1PO42-, Ampholyte)	Phosphat-Ion: PO43-
Oxonium: H3O+	Wasser: H2O
Wasser: H2O	Hydroxid-Ion: OH-
Hydroxid-Ion: OH-	Oxid-Ion: O 2-
Essigsäure: CH3COOH	Acetat-Ion: CH3COO

Die Essigsäure gehört zu der Gruppe der organischen Säuren, welche jeweils eher schwach sind. Praktisch immer ist eine Carboxylgruppe vorhanden (COOH), der Rest variiert. Schwache organische Säuren finden auch zur Bestimmung des pH-Wertes eine Funktion, wenn die konjugierte Base eine andere Farbe hat als die Säure. Wenn eine Base (oder auch ein Ampholyt) negativ geladen ist, können sie auch mit einem Metall binden und dadurch zu einem Salz werden, z.B. Kalk (Ca²⁺CO₃^2-). Dies ist jedoch nicht das Kalk, das wir in unserem Wasser finden, denn in unserem Wasser finden wir eine wasserlöslichere Form, die dadurch entsteht, dass Kalk mit Kohlensäure reagiert, die schon vorher im Wasser vorhanden war:

Ca²⁺CO₃^2-+H₂CO₃→Ca²⁺(HCO₃^-)₂

Beweis für die Protonenübergabe bei Säure-Base-Reaktionen

Reine Essigsäure	H3CCOOH	nicht elektrisch leitfähig
Wasser	H2O	nicht elektrisch leitfähig
Gemisch aus Essigsäure und Wasser		elektrisch leitfähig

Damit ein Stoff leitfähig ist, muss folgende Bedingung erfüllt sein: Es müssen frei bewegliche, geladene Teilchen vorhanden sein. Damit also dieses Gemisch leitfähig ist, müssen entweder frei bewegliche Elektronen oder Protonen verfügbar sein. Es ist somit also ein Beweis dafür, dass in einer Säure-Base-Reaktion Protonen den Besitzer wechseln. Wasser selbst ist durch die Autoprotolyse auch leicht leitfähig:

2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-

Reaktionstypen

Neutralisation

Eine Base und eine Säure neutralisieren sich gegenseitig. Typisch hierfür ist die Reaktion von OH^--Ionen mit starken Säuren, dadurch entsteht das dazu korrespondierende Säure-Basen-Paar, also Wasser sowie eine schwache Base (da aus einer starken Säure eine schwache Base wird), damit liegt das Gleichgewicht fast nur auf der Seite der Edukte, da das Säure-Basen-Paar viel schwächer ist.

HCl + Na⁺OH^- → H₂O + Na⁺Cl^-

"Die starke Säure vertreibt die schwache Base aus ihrem Salz"

K⁺CN^- + HCl_aq ⇌ K⁺Cl_aq^- + HCN

Kalknachweis:

Wenn aus Kohlensäure (H₂CO₃) ein Carbonat-Ion (CO₃^2-) entsteht, so kann man dies auch in der Geologie verwenden. CO₃^2- kann mit Ca²⁺ reagieren und es entsteht Kalk Ca²⁺CO₃^2-. Dies kann man dann mit einer starken Säure reagieren lassen, zum Beispiel HCl:

Ca²⁺CO₃^2- + 2HCl_aq ⇌ H₂CO₃ + Ca²⁺Cl₂^-

Basen im Wasser

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^-

Dies wird auch später wichtig sein um den pOH (Gegenstück des pH-Wertes) zu bestimmen, da dies in der Anzahl OH^--Ionen gemessen wird. Logischerweise hat es mehr OH^-, wenn es auch mehr Base hat.

Quellen

• Text: eigene Notizen
• Bild: Wikipedia