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, auch Protolyse genannt. Dabei gibt die Säure ein Proton(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⁺

In der starken O-H-Bindung des Moleküls besitzt das H-Atom eine stark positive Partialladung, somit kann das Proton leicht von der Säure getrennt werden. Ausserdem steht ein freies Elektronenpaar im Molekül NH₃ zur Verfügung. Das Proton (H⁺) lagert sich an das freie Elektronenpaar (das negativ geladen ist) an. Dadurch wird das Proton beim Zusammenstossen von dem Ammoniak-Molekül aufgenommen. Es gibt abstossende Kräfte, wie die negative Partialladung von Sauerstoff. Allerdings liegt das O-Atom weit vom Proton entfernt, daher wirken die abstossenden Kräfte nicht wirklich. Die Säure wird nach Abgabe eines Protons zu einer Base, die Base hingegen nach der Aufnahme eben dieses Protons wieder zu einer Säure.

Protolysen sind Gleichgewichtsreaktionen, also wird aus einer Säure eine Base und daraus wieder eine Säure. Je nach Konzentration der Stoffe liegt das Gleichgewicht stärker bei den Edukten bzw. Produkten. Zudem sind Säuren und Basen häufig in Wasser gelöst, dies bezeichnet man mit dem Kürzel _(aq).

Beispiele von Säure und Basen mit Lewisformel

In der Lewisformel werden noch die jeweiligen Partialladungen und Kräfteverhältnisse demonstriert. Die Komplexanionen sind Basen.

Beweis für die Protonenübergabe bei Säure-Base-Reaktionen

In diesem Experiment wird reine Essigsäure mit Wasser gemischt und die Leitfähigkeit der jeweiligen Stoffe geprüft:

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO^- + H₃O⁺

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 beweglichen geladenen Teilchen. Es ist somit ein Beweis dafür, dass in einer Säure-Base-Reaktion die Protonen den Besitzer wechseln, denn hier wird das H⁺ von der Essigsäure an die freie Elektronenwolke von Wasser übertragen, damit das Acetat-Ion mit dem Oxonium-Ion entsteht.

Wasser selbst ist durch die Autoprotolyse auch leicht leitfähig:

2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-

Hierbei wird durch den Protonenübergang aus zwei Wassermoleküle 1 Oxonium-Ion und 1 Hydroxid-Ion

Reaktionstypen

Es gibt vier Säure-Base-Reaktionstypen:

Neutralisationsreaktionen

HCl(starke Säure) + Na⁺OH^-(starke Base) ⇌ H₂O + Na⁺Cl^-

Bei einer Neutralisationsreaktion neutralisieren sich eine starke Säure und eine starke Base gegenseitig. Typisch hierfür ist die Reaktion von OH^--Ionen im Komplex einer Base mit starken Säuren. Somit entstehen Wasser und ein Salz, in diesem Fall Natriumchlorid.

Eine allgemeine Formel für eine typische Neutralisationsreaktion:

Starke Säure + Starke Base ⇌ Wasser + Salz

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

K⁺CN^-(Kaliumcyanid, schwache Säure) + HCl_aq(Salzsäure, starke Säure) ⇌ K⁺Cl_aq^-(Blausäure) + HCN(Kaliumchlorid)

Ein Salz besteht aus einem Anion(negativ geladenes Atom) und Kation(positiv geladenes Atom). Daher sagt man nicht, dass z.B. in diesem Fall Kaliumcyanid die Base ist, sondern Cyanid-Ion(CN^-). Hier vertreibt HCl-Molekül das K⁺ von seinem Salz. Damit entsteht eine neue Säure und ein Salz.

Kalknachweis:

Aus Carbonat-Ion (CO₃^2-) kann Kohlensäure (H₂CO₃) entstehen. Dies kann man 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^-

Ca²⁺ ist die schwache Säure und HCl die starke. Daraus entsteht die neue Säure Kohlensäure und das Salz Calciumchlorid.

Basen im Wasser

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^-

Hierbei wird das H⁺ vom Wasser durch das Zusammenstossen mit Ammoniak an die freie Elektronenwolke vom N-Atom übergeben. Also wird eine Basen in Wasser gelöst, entsteht ein OH^-(Hydroxid-Ion).

Säuren im Wasser

HCl + H₂O ⇌ Cl⁺ + H₃O⁺

Wenn eine Säure mit Wasser reagiert, wird das H⁺ an die freie Elektronenwolke von O im Molekül H₂O übergeben. Also wenn eine Säure in Wasser gelöst wird, entsteht H₃O⁺ (Oxonium-Ion).

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, und jede Base eine konjugierte Säure besitzt. Daher sind Protolysen auch Gleichgewichtsreaktionen. Hier sind einige Säuren mit ihren jeweiligen konjugierten Basen

Im Onedrive-Ordner von Herr Deuber findet man unter X Tabellen_Namen und Formlen chemischer Stoffe>SaeureBase_Tabelle noch mehr Säuren mit ihren konjugierten Basen.

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 sowie auch als Base reagieren. Diese Tabelle zeigt Ampholyten und ihre korrespondierende Stoffe, die entweder ein H⁺ mehr oder weniger besitzen:

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: eigene Abbildungen, Dokument von Unterrichtsunterlagen
• Video: The Simple Chemics