Säuren und Basen nach Brönsted

Säuren und Basen nach Brönsted Übung

• Benenne die Bestandteile der dargestellten Säure-Base-Reaktion.

  Tipps

  Salzsäure ist die wässrige Lösung von Chlorwasserstoff.

  Ein Oxoniumion ist ein protoniertes Wassermolekül.

  Lösung

  In der Säure-Base-Reaktion nach Brønsted geht es darum, dass Säuren Protonen abgeben und Basen Protonen aufnehmen.

  Wenn Salzsäure $(\ce{HCl})$ und Wasser $(\ce{H2O})$ reagieren, passiert Folgendes:

  • $\ce{HCl}$ gibt ein Proton ab (Säure),
  • $\ce{H2O}$ nimmt dieses Proton auf (Base),
  • das Proton verbindet sich mit Wasser und es entsteht $\ce{H3O^+}$ (Oxoniumion),
  • das Chloridion (Cl⁻) bleibt als Anion (Säurerest) in der Lösung.

  Die gesamte Reaktion sieht so aus:

  $\ce{HCl} + \ce{H2O} \longrightarrow \ce{H3O^+} + \ce{Cl^-}$

• Definiere Säuren und Basen nach Brønsted.

  Tipps

  Das englische Wort „to donate“ bedeutet „spenden“.

  Lösung

  Lange Zeit galt das Säure-Base-Konzept des schwedischen Chemikers Svante Arrhenius als gültige Modellvorstellung. Nach Arrhenius wurden Säuren so definiert, dass sie in wässriger Lösung in ein Wasserstoffion und einen Säurerest dissoziieren. Basen hingegen zerfallen in Metall- und Hydroxidionen.

  Doch Johannes Nicolaus Brønsted erkannte, dass dies nicht die ganze Wahrheit sein konnte. Denn einerseits waren bereits Säure-Base-Reaktionen bekannt, die nicht in wässriger Lösung ablaufen, andererseits gibt es auch Basen, in denen gar kein Hydroxidion enthalten ist. Seine Säure-Base-Theorie stellt daher eine Erweiterung der Modellvorstellung von Arrhenius dar.

  Brønsteds Kernaussagen:

  • Säuren sind Protonendonatoren. Sie geben Protonen ($\ce{H+}$) ab.
  • Basen sind Protonenakzeptoren: Sie nehmen Protonen ($\ce{H+}$) auf.

  $\to$ Wenn eine Säure ein Proton abgibt, entsteht ihre korrespondierende Base.
  $\to$ Wenn eine Base ein Proton aufnimmt, entsteht ihre korrespondierende Säure.

• Erkläre die Säure-Base-Reakion nach Brönsted.

  Tipps

  Wenn Ionen sich verbinden, entsteht ein Salz.

  Lösung

  Brønsted hat das bisher bekannte Säure-Base-Konzept grundlegend verändert. Er erweiterte es vom Fokus auf bestimmte Stoffe (z. B. Wasser) hin zum Austausch von Protonen. Dadurch wurde es möglich, Säure-Base-Reaktionen besser zu verstehen – auch dann, wenn kein Wasser beteiligt ist.

  Laut Brønsted gehört zu jeder Säure immer eine passende Base (und umgekehrt), wenn eine Reaktion stattfindet. Diese Paare nennt man korrespondierende Säure-Base-Paare.

  Wasser ist ein Amphoter, also ein Stoff, der sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann. Doch es gibt auch Säure-Base-Reaktionen, die ohne Wasser ablaufen.

  Ein Beispiel: Wenn Chlorwasserstoff ($\ce{HCl}$) und Ammoniak ($\ce{NH3}$) – beide in gasförmigem Zustand – reagieren, kommt es zu einem Protonenübergang. Dabei verbinden sich die beiden Stoffe direkt zu einem Salz, nämlich Ammoniumchlorid ($\ce{NH4Cl}$).

  In dieser Reaktion stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf der rechten Seite der Gleichung, da fast alle Teilchen von Chlorwasserstoff und Ammoniak zu Ammoniumchlorid reagieren.

• Entscheide, welche Rolle das Wasser in der jeweiligen Reaktion einnimmt.

  Tipps

  Wenn Wasser als Base reagiert, nimmt es ein Proton auf und bildet ein Oxoniumion ($\ce{H3O^+}$).

  Ein Oxoniumion ist ein protoniertes Wassermolekül $(\ce{H3O^+})$.

  Lösung

  Wasser spielt eine besondere und vielseitige Rolle in Säure-Base-Reaktionen, da es sowohl als Säure als auch als Base wirken kann: Es ist ein sogenannter Amphoter.

  In den folgenden Reaktionen nimmt Wasser die Rolle der Base ein, indem es ein Proton von einer Säure aufnimmt. In diesem Fall bildet Wasser das Oxoniumion $(\ce{H3O^+})$:

  • $\ce{HCl}~+$ $\ce{H2O}$ $\longrightarrow \ce{H3O^+} + \ce{Cl^-}$
  • $\ce{H2SO4}~+$ $\ce{H2O}$ $\longrightarrow \ce{H3O^+} + \ce{HSO4^-}$
  • $\ce{H3PO4}~+$ $\ce{H2O}$ $\longrightarrow \ce{H3O^+} + \ce{H2PO4^-}$

  Wasser kann auch als Säure fungieren, indem es ein Proton an eine Base abgibt. Dabei entsteht ein Hydroxidion $(\ce{OH^-})$:

  • $\ce{NH3}~+$ $\ce{H2O}$ $\longrightarrow \ce{NH_4^+} + \ce{OH^-}$

• Bestimme alle starken Säuren nach Brønsteds Definition.

  Tipps

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  Essig ist eine verdünnte wässrige Lösung von Essigsäure.

  Lösung

  Nach der Brønsted-Definition unterscheidet man starke und schwache Säuren anhand ihrer Fähigkeit, Protonen abzugeben:

  • Starke Säuren, wie Salzsäure ($\ce{HCl}$) oder Schwefelsäure ($\ce{H2SO4}$), geben Protonen fast vollständig ab. Das bedeutet, dass nahezu alle Säureteilchen reagieren. Die Säure liegt vollständig dissoziiert vor.
  • Bei schwachen Säuren, wie Essigsäure ($\ce{CH3COOH}$) oder Kohlensäure ($\ce{H2CO3}$), reagiert dagegen nur ein Teil der Teilchen. Sie liegen in der Lösung sowohl als undissoziierte Säure als auch als dissoziierte Ionen vor.

  $\to$ Dissoziation: Wenn ein Molekül beim Lösen in kleinere Teile, meist Ionen, zerfällt, nennt man diesen Vorgang Dissoziation.

• Analysiere die chemischen Reaktionen.

  Tipps

  Eine korrespondierende Base entsteht, wenn eine Säure ein Proton abgibt.

  Ein Oxoniumion ist ein protoniertes Wassermolekül $(\ce{H3O^+})$.

  Lösung

  Eine Säure-Base-Reaktion ist ein chemischer Prozess, bei dem Protonen zwischen Reaktionspartnern übertragen werden:

  • Eine Säure gibt ein Proton ab. Dadurch entsteht eine korrespondierende Base, die das verbleibende Ion oder Molekül ist, nachdem das Proton abgegeben wurde.
  • Eine Base nimmt ein Proton auf. Dies führt zu der korrespondierenden Säure, die das Produkt ist, das entsteht, nachdem die Base das Proton erhalten hat.

  Beispiel 1:
  $\ce{CH3COOH} + \ce{NH3} \longrightarrow \ce{CH3COO^-} + \ce{NH4+}$
  $\to$ Säure: $\ce{CH3COOH}$ (Essigsäure)
  $\to$ Base: $ \ce{NH3}$ (Ammoniak)
  $\to$ korrespondierende Base: $\ce{CH3COO^-}$
  $\to$ korrespondierende Säure: $\ce{NH4+}$

  Beispiel 2:
  $\ce{NH3} + \ce{H2CO3} \longrightarrow \ce{NH4+} + \ce{HCO3^-}$
  $\to$ Säure: $\ce{H2CO3}$ (Kohlensäure)
  $\to$ Base: $ \ce{NH3}$ (Ammoniak)
  $\to$ korrespondierende Base: $\ce{HCO3^-}$
  $\to$ korrespondierende Säure: $\ce{NH4+}$

  Beispiel 3:
  $\ce{H2O} + \ce{H2O} \longrightarrow \ce{H3O^+} + \ce{OH^-}$
  $\to$ korrespondierende Base: $\ce{OH^-}$
  $\to$ korrespondierende Säure: $\ce{H3O^+}$

  Diese Reaktion aus Beispiel 3 nennt man Autoprotolyse des Wassers. Dabei reagieren zwei Wassermoleküle miteinander und es wird ein Proton übertragen. Dadurch entstehen Oxoniumionen $(\ce{H3O+})$ und Hydroxidionen $(\ce{OH⁻})$. Diese Reaktion erklärt die Neutralität des reinen Wassers und ist entscheidend für das Verständnis des pH-Werts und der chemischen Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel.