Grundlagen

Säure-Base-Reaktion

Eine Säure ist ein (H⁺)Protonenspender und eine Base ist ein (H⁺)Protonenempfänger. Eine Säure-Base-Reaktion ist eine Protonenübertragungsreaktion zwischen einer Säure und einer Base, die miteinander reagieren, auch Protolyse genannt. Dabei gibt die Säure ein Proton, ein H⁺, ab während die Base dieses Proton aufnimmt.

Anhand dieser Säure-Base-Reaktion sieht man, wie der Protonenübergang verläuft.

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

[[Datei:Kraefteverhältnis-Protonenübergang.jpeg]|200px|thumb|left|Alternativer Text]]

Sauerstoff ist ein Elektronendieb und Wasserstoff ein Elektronenopfer. Zudem heisst Sauerstoff nicht Sauerstoff, weil er sauer ist, sondern weil er Stoffe, mit denen er reagiert, sauer macht. Die Kräft in diesem Fall ziehen stark an den O-Atome. Da diese aber weiter weg vom H⁺ sind und ein freies Elektronenwolkenpaar zur Verfügung steht, wobei auch NH₃ ein polares Molekül ist.

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. 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.

Ausserdem sind die Säuren häufig in Wasser gelöst, dies bezeichnet man mit dem Kürzel _(aq). Protolysen 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.

Beispiele von Säure und Basen mit Lewisformel

Beweis für die Protonenübergabe bei Säure-Base-Reaktionen

In diesem Experiment wird reine Essigsäure mit Wasser gemischt:

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO^- + H₃O⁺

[[Datei:Kräfteverhältnis-Protonenübergang.jpeg]|200px|thumb|left|Kräfteverhältnis und Protonenübergang]]

Reine Essigsäure	CH3COOH	nicht elektrisch leitfähig
Wasser	H2O	nicht elektrisch leitfähig
Acetat-Ion	CH3COO- + H3O+	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, was in diesem Fall so ist. Reine Essigsäure und Wasser haben jeweils keine frei bewegliche geladene Teilchen. 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

Es gibt vier Säure-Base-Reaktionstypen:

Neutralisationsreaktionen

HCl + Na⁺OH^- ⇌ H₂O + Na⁺Cl^-

Eine Base und eine Säure neutralisieren sich gegenseitig. Typisch hierfür ist die Reaktion von OH^--Ionen mit starken Säuren. Somit entsteht das dazu korrespondierende Säure-Basen-Paar, also Wasser und ein Salz, in diesem Fall Natriumchlorid.

"Die starke Säure vertreibt die schwächere Säure aus ihrem Salz"

K⁺CN^- + HCl_aq ⇌ K⁺Cl_aq^- + HCN

Kalknachweis:

Wenn aus Carbonat-Ion (CO₃^2-) ein Kohlensäure (H₂CO₃) 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^-

Hierbei wird dem Wasser das H+ weggenommen. Daher entsteht ein 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.

Säuren im Wasser

HCl + H₂O ⇌ Cl⁺ + H₃O⁺

Einige Säuren und ihre konjugierten Basen

Säuren werden nach der Abgabe eines Protons zu einer Base und Basen werden nach der Aufnahme dieses Protons zu einer Säure. Dadurch wird auch klar, dass jede Säure eine sogenannte konjugierte Base hat, als auch jede Base eine konjugierte Säure besitzt. Hier sind Säuren mit ihren jeweiligen konjugierten Basen:

Iodwasserstoff: HI	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-).

Ampholyten

Ampholyten sind Stoffe, die ein H⁺ Proton abgeben, aber auch aufnehmen können. Das heisst sie können als Säure, wie auch als Base reagieren.

Zusammenfassung: Video von the Simple Chemics

Wie reagieren Säuren? Säure-Base-Paare

Link: Säure-Base Paare REMAKE

Im Video wird zuerst erklärt, was eine Säure bzw. eine Base genau ist. Dann werden einige Beispiele dafür gennant. Wie genau eine Säure bzw. eine Base reagiert wird anhand zweier Beispiele von Reaktionen mit Wasser gezeigt. Dabei wird immer das konjugierte Säure-Base-Paar genannt.

Zu beachten:

• Zu Beginn des Videos wird erwähnt, dass sich die Oxidationszahlen bei Säure-Base-Reaktionen nicht ändern. Das ist jedoch zum Verständnis von diesen Protolysen nicht relevant.
• Bei der Definition im Video werden die Begriffe «Protonendonator» und «Protonenakzeptor» genannt. Im Unterricht haben wir dafür die Begriffe «Protonenspender» und «Protonenempfänger» benutzt.
• Die Säure wird im Video als "gutherziger Spender" und die Base als "Bettler" beschrieben, da die Säure ein H+ an die Base abgibt. Die eigentliche Erklärung dafür ist jedoch das freie Elektronenpaar der Base, welches das Proton der Säure anziehen. Die Säure gibt das Proton nicht freiwillig ab, es wird ihr von der Base "gestohlen".
• Der Begriff «konjugiertes Säure-Basen-Paar» wird zwar erwähnt, jedoch ist nicht klar definiert, was damit gemeint ist. Unter einem konjugierten Säure-Base-Paar versteht man eine Säure und deren dazugehörige Base. Die Säure unterscheidet sich jeweils um ein H+ von der Base, die Säure hat also jeweils ein Proton mehr als die Base. Die Säure gibt das Proton dann ab und daraus entsteht die konjugierte Base mit einem Proton weniger.
• Das Video erwähnt den Begriff «Ampholyt» nicht. Es gibt zwei Reaktionen mit Wasser, einmal reagiert es mit einer Base, das andere Mal mit einer Säure. Dabei ist es wichtig in Erinnerung zu behalten, dass Wasser sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann, da es ein Ampholyt ist.

Besonders nützlich: Das Video eignet sich sehr gut als Einführung in das Thema. Es erklärt das Prinzip der Säure-Base Reaktion einfach und gut verständlich.

Zusätzliche Informationen: Brönsted ist der Urheber der Säure-Basen Theorie, wie wir sie heute kennen. Davor haben die Wissenschaftler geglaubt, dass Stoffe nur mit Wasser sauer oder basisch reagieren können. Brönsted hat gezeigt, dass auch eine Reaktion ohne Wasser eine S/B-Reaktion sein kann.

Quellen

• Text: eigene Notizen
• Bild: Wikipedia
• Video: The Simple Chemics