Halbjahresthema Säuren, Basen, Protolyse(gleichgewichte)

Nach den Richtlinien heißt das Thema genau:

Dazu gehören:

• Protolysen als Gleichgewichtsreaktionen:
  • Säure-Base-Begriff nach Brönsted,
  • Autoprotolyse des Wassers
  • pH-, pKs-Wert

• einfache Titrationen mit Endpunktbestimmungen

Eine gute Zusammenfassung der Grundbegriffe bietet z.B. das Telekolleg Chemie, Folge 9 - Säuren und Basen.

Eine Säure ist nach Arrhenius ein Stoff, der in wässriger Lösung Protonen, also H⁺-Ionen bildet. Diese Protonen machen die Säurewirkung aus und sorgen für eine gute Leitfähigkeit des elektrischen Stroms von Säuren.

• Säuren führen zu einem Farbumschlag bei den Indikatoren Lackmus (rötlich), Universalindikator (rot), Bromthymolblau (gelb-orange). Phenolphthalein zeigt keine Farbveränderung.
• Säuren reagieren mit Metallen: Säure + Metall Wasserstoffgas + Salz (also Metallkation und Säurerestanion)
  • Beispiel: Zn (s) + 2 HCl (aq) Zn²⁺ (aq) + 2 Cl^- (aq) + H₂ (g)
• Säuren reagieren mit Carbonaten, dabei bildet sich Kohlenstoffdioxid
  • Beispiel (Reaktion von Kalk mit Essigsäure): CaCO₃ (s) + 2 CH₃COOH (aq) Ca²⁺ (aq) + CO₂ (g) + 2 CH₃COO^- (aq) + H₂O (l)

• Säuren, die bei Raumtemperatur flüssig sind (also ein Reinstoff vorliegen können): Schwefelsäure (H₂SO₄), Phosphorsäure (H₃PO₄), Salpetersäure (HNO₃), Essigsäure (CH₃COOH)
• Säuren, die bei Raumtemperatur gasförmig sind (also in flüssiger Form nur als Lösung vorliegen können): Salzsäure (HCl (aq)), HCl (g) wird daher auch als Chlorwasserstoff(gas) bezeichnet.

Eine Base ist nach Arrhenius ein Stoff, der in wässriger Lösung unter Abgabe von Hydroxidionen (OH^-) dissoziert¹⁾. Sind Hydroxidionen in der wässrigen Lösung eines Stoffes vorhanden, spricht man von einer Lauge (alkalische Lösung). Die Hydroxidionen sorgen auch für die gute Leitfähigkeit für elektrischen Strom und die ätzende Wirkung von Laugen.

• Laugen führen zu einem Farbumschlag bei Indikatoren Lackmus (tief blau-violett), Universalindikator (blau), Bromthymolblau (blau), Phenolphthalein (pink).

• „echte“ Laugen, dissoziieren in wässriger Lösung: Natronlauge (NaOH (aq)), Kalilauge (KOH (aq))
• bilden in wässriger Lösung durch Hydrolyse Laugen, sind also keine Basen nach Arrhenius:
  • Ammoniak (NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^-),
  • gebrannter Kalk (CaO + H₂O → Ca²⁺ + 2 OH^-),
  • Soda (Na₂CO₃ + H₂O → 2 Na⁺ + CO₂ + 2 OH^-)

Nach Brönsted geben Säuren Protonen ab und Basen nehmen Protonen auf. Bei einer Säure-Base-Reaktion betrachtet Brönsted also den Protonenübergang von Säure zu Base. Diese Protonenübergänge sind dabei nicht absolut, sondern liegen im Gleichgewicht vor.

Arrhenius betrachtet Stoffeigenschaften (in wässriger Lösung liegen Protonen oder Hydroxidionen vor), Brönsted betrachtet Teilcheneigenschaften (kann Proton aufnehmen oder abgeben).

Löst man Natriumhydroxid in Wasser, so erhält man durch Dissoziation eine Lauge. Hier liegt nach Brönsted also keine Säure-Base-Reaktion vor, da bei der Dissoziation keine Protonen ausgetauscht wurden.

HCl + H₂O _← ^→ H₃O⁺ + Cl^-

NH₃ + H₂O _← ^→ NH₄⁺ + OH^-

Weder Arrhenius noch Brönsted können die saure Wirkung einer Zinkchloridlösung aus der Dissoziation erklären: ZnCl₂ Zn²⁺ + Cl^-.

Berücksichtigt man aber, dass Zink-Kationen in wässriger Lösung Hydrate, also einen Aqua-Komplex bilden²⁾, und auch als Tetraaqua-Komplex auskristallisieren, kann das Zink-Komplexion nach Umlagerung und Bildung des Dichloro-dihydroxo-zinkats als Säure verstanden werden:

[ZnCl₂(H₂O)₄] (s) ↔ H₂[ZnCl₂(OH)₂] (aq) + 2 H₂O _← ^→ 2 H₃O⁺ + [ZnCl₂(OH)₂]^2-

HCl + NH_{3 ←} ^→ NH₄⁺ + Cl^-

H₂SO₄ + H₂O _← ^→ H₃O⁺ + HSO₄^-

CH3COOH + H₂O _← ^→ H₃O⁺ + CH₃COO^-

NaHCOO + H₂O _← ^→ Na⁺ + HCOOH + OH^-