Ein wichtiger Versuch
Versuch 1: Bildung von Salzsäure aus Chlorwasserstoff
Materialien:
Geräte: Erlenmeyerkolben, dazu passender Tropftrichter mit Druckausgleich und seitlichem Ableitungsrohr, Winkelrohr, Glastrichter, Becherglas, Reagenzglas, Leitfähigkeitsmessstab, Wechselspannungsquelle, Amperemeter, Voltmeter, Stativmaterial.
Chemikalien: Natriumchlorid (NaCl), konz. Schwefelsäure (H2SO4), dest. Wasser, Universalindikator, Silbernitrat-Lösung.
Durchführung:
(C) Ulrich Helmich
Der Versuch wird wie oben gezeigt im Abzug aufgebaut. Im Erlenmeyerkolben befinden sich zwei, drei Teelöffel Natriumchlorid; der Tropftrichter wird vom Lehrer mit 20 bis 30 ml konz. Schwefelsäure befüllt. Im Becherglas befindet sich destilliertes Wasser, dem ein paar Tropfen Universalindikator zugesetzt wurden. Der Glastrichter befindet sich direkt über der Oberfläche des dest. Wassers. Die elektrische Leitfähigkeit des dest. Wassers wird ständig überprüft, dazu wird ein Leitfähigkeitsmessstab in das Wasser gestellt, der dann über ein Amperemeter an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird. Mit einem Voltmeter wird die Spannung kontrolliert und konstant gehalten.
Bevor der eigentliche Versuch gestartet wird, wird eine Probe des dest. Wassers entnommen, in ein Reagenzglas gegeben und dann mit wenigen Tropfen Silbernitrat-Lösung versetzt.
Dann wird der Hahn des Tropftrichters geöffnet, so dass die Schwefelsäure zum Natriumchlorid tropfen kann. Die Schwefelsäure sollte langsam zutropfen.
Am Ende des Versuchs werden ein paar Tropfen Silbernitrat-Lösung in das Becherglas mit dem Wasser gegeben.
Beobachtungen:
Wenn die konz. Schwefelsäure auf das Natriumchlorid tropft, kommt es zu einer heftigen Reaktion. Unter lautem Zischen und intensiver Nebelbildung wird ein stechend riechendes Gas freigesetzt, das durch das Winkelrohr und den Trichter auf die Oberfläche des dest. Wassers gelangt. Dort kann man einen Farbumschlag von Grün nach Gelb und schließlich Rot beobachten. Die Rotfärbung breitet sich dann im ganzen Becherglas aus. Gleichzeitig kann man ein Ansteigen der elektrische Leitfähigkeit in dem Wasser beobachten.
Während das dest. Wasser in keiner Weise mit dem Silbernitrat reagierte, sieht man nach Beendigung des Versuchs einen weißen Niederschlag im Becherglas, wenn man Silbernitrat-Lösung zugibt.
Vorläufige Deutung:
Natriumchlorid reagiert mit konz. Schwefelsäure unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff:
Der Chlorwasserstoff löst sich in dem Wasser und dissoziiert dabei in Protonen und Chlorid-Ionen:
Die hydratisierten Ionen sind verantwortlich für die elektrische Leitfähigkeit. Die Protonen sorgen außerdem für die Rotfärbung des Indikators, und die Chlorid-Ionen reagieren mit dem Silbernitrat zu wasserunlöslichem Silberchlorid, das daher als weißer Niederschlag ausfällt:
So viel zu dem Versuch und seiner vorläufigen Deutung, die sich doch eigentlich recht logisch anhört.
Folie 1
Einleitender Versuch
Herstellung von gasförmigem Chlorwasserstoff aus Kochsalz und konz. Schwefelsäure, Einleiten des HCl in dest. Wasser.
Diese Folie ist Bestandteil des Foliensatzes "BRÖNSTED-Theorie".
Genauere Deutung des Versuchs
Wir wollen die bei dem Versuch ablaufenden Prozesse jetzt näher untersuchen. Vor allem interessiert die Dissoziation des Chlorwasserstoff-Moleküls. Schauen wir und diesen Vorgang einmal genauer an:
(C) Ulrich Helmich
Wir müssen jetzt die kritische Frage stellen: Wie groß ist eigentlich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Chlorwasserstoff-Molekül HCl(g) spontan in ein Proton und ein Chlorid-Ion dissoziiert?
Zur Spaltung der polaren Elektronenpaarbindung zwischen dem H- und dem Cl-Atom benötigt man den recht hohen Betrag von 1400 kJ/mol. Das ist eine spontane Dissoziation des HCl-Moleküls eigentlich zu viel. Ich meine, wenn die Energiebarriere nur 50 oder 100 kJ/mol hoch wäre, könnte das ja noch angehen, dass sich ein HCl-Molekül spontan in zwei Ionen spaltet. Aber 1400 kJ/mol, das ist einfach zu hoch.
Einen wichtigen Faktor haben wir bei unseren Überlegungen noch übersehen, obwohl er direkt vor uns steht: Das Wasser in dem Becherglas. Wir beobachten die elektrische Leitfähigkeit ja nicht im Gasraum, wo sich die HCl(g)-Moleküle befinden, sondern in der Lösung, die ja hauptsächlich aus H2O-Molekülen besteht. Damit kommen wir zu einer ganz wichtigen Frage:
Folie 2
Chlorwasserstoff
Chlorwasserstoff als Protonen-Donator. Wahrscheinlichkeit der Protonenabgabe bei HCl(g). Rolle des Wassers.
Diese Folie ist Bestandteil des Foliensatzes "BRÖNSTED-Theorie".
Welche Rolle spielen die H2O-Moleküle bei der Dissoziation der HCl-Moleküle?
Ich habe hier mal ein HCl-Molekül und ein H2O-Molekül gezeichnet, wie sie sich nach dem Kugelwolkenmodell darstellen. Beachten Sie das rot gezeichnete H-Atom im HCl-Molekül.
Jetzt hat sich das Proton vom HCl-Molekül gelöst, es hat eine heterolytische Bindungsspaltung stattgefunden, bei der beide Bindungselektronen beim elektronegativeren Partner verbleiben. Für diese Heterolyse sind 1.400 kJ/mol notwendig, ein recht hoher Betrag.
Wer sich nur ein wenig mit chemischer Energetik auskennt, weiß, dass endotherme Reaktionen leicht ablaufen können, wenn zeitgleich eine exotherme Reaktion stattfindet, die die erforderliche Reaktionsenergie für die endotherme Reaktion liefert.
Was ist hier passiert? Das Proton hat sich in die eine der beiden doppelt besetzten freien Kugelwolken des O-Atoms hineingesetzt. Ein Proton ist sozusagen auf der "Suche" nach zwei Elektronen, um eine Edelgaskonfiguration zu erlangen. Und das O-Atom des Wasser-Moleküls stellt zwei solcher Elektronenpaare zur Verfügung. Also liegt es doch nahe, dass das Proton dieses tolle "Angebot" annimmt und sich einfach in die Kugelwolke setzt. Das Ergebnis ist ein H3O+-Ion, ein sogenanntes Oxonium-Ion.
Hier sehen wir noch einmal die Energieumsätze, die bei dieser Reaktion stattfinden. Zur Spaltung der H-Cl-Bindung sind 1.400 kJ/mol notwendig, aber bei der Bildung des Oxonium-Ions entsteht eine neue H-O-Bindung, wobei 1.600 kJ/mol freigesetzt werden. Insgesamt werden also bei der Reaktion
200 kJ/mol freigesetzt.
Ein Wasser-Molekül ist in der Lage, einem HCl-Molekül ein Proton zu entziehen. Es entstehen ein Chlorid-Anion und ein Oxonium-Kation. Triebkraft hierfür ist die größere Stabilität der H-O-Bindung gegenüber der H-Cl-Bindung.
Folie 3
Protonendonator HCl
Im Kugelwolkenmodell wird gezeigt, wir HCl ein Proton auf H2O überträgt.
Diese Folie ist Bestandteil des Foliensatzes "BRÖNSTED-Theorie".
Der Säure/Base-Begriff von BRÖNSTED
Auf diese Zusammenfassung folgt gleich eine sehr wichtige Definition:
Protolyse
Übertragung eines Protons von einem Protonendonator XH auf einen Protonenakzeptor Y:
Teilchen (Moleküle oder Ionen), die ein oder mehrere H-Atome in Form von Protonen abgeben können, bezeichnet man als Protonen-Donatoren oder Säuren.
Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen), die ein oder mehrere Protonen aufnehmen können, bezeichnet man als Protonen-Akzeptoren oder Basen.
Die Übertragung eines Protons von einem Protonen-Donator auf einen Protonen-Akzeptor wird als Protolyse bezeichnet.
Der Protonenakzeptor kann neutral oder negativ geladen sein. Wichtig sind vor allem zwei Dinge: Erstens muss der Protonenakzeptor ein freies Elektronenpaar zur Verfügung stellen, und zweitens muss der Elektronenakzeptor selbst elektronegativ sein.
Wir wollen nun - wie in einer guten Chemiestunde - die eben erarbeiteten Begriffe Protolyse, Protonendonator und Protonenakzeptor vertiefen. Dazu führen wir wieder mal einen kleinen Versuch durch - aber bitte im Abzug, es stinkt nämlich und ist auch gefährlich.
Versuch 2: Bildung von Ammoniumchlorid
Materialien:
Geräte: 2 Erlenmeyerkolben 250 ml
Chemikalien: konz. Salzsäure, konz. Ammoniakwasser
Durchführung:
Die Erlenmeyerkolben werden zu je 50 ml mit der konz. Salzsäure bzw. dem konz. Ammoniakwasser gefüllt, etwas geschüttelt, damit sich die Gasphase ordentlich ausbreiten kann, und dann mit den Öffnungen eng nebeneinander auf das Lehrerpult gestellt.
Beobachtungen:
Dort, wo sich die beiden Öffnungen der Erlenmeyerkolben berühren, entstehen dichte weiße Nebel.
Vorläufige Deutung:
Aus Ammoniak NH3 und Chlorwasserstoff HCl bildet sich Ammoniumchlorid NH4Cl, ein weißer Feststoff, der als weißer Nebel sichtbar wird:
Genauere Analyse
Der Chlorwasserstoff tritt hier wieder als Protonen-Donator auf, das Proton wechselt mal wieder die Seiten und tritt in die mit zwei freien Elektronen besetzte vierte Kugelwolke des N-Atoms ein, so dass sich ein Ammonium-Ion NH4+ bildet. Das Ammonium-Ion ist ähnlich aufgebaut wie das Oxonium-Ion, nur statt Sauerstoff befindet sich Stickstoff in der Mitte, und es gibt ein zusätzliches H-Atom im Ion. Das positiv geladene Ammonium-Ion verbindet sich nun sofort mit dem übrig gebliebenen Chlorid-Ion, und es entsteht festes Ammoniumchlorid.
Also liegt auch diesem Versuch eine Protolyse zu Grunde, also der Wechsel eines Protons von einem Protonen-Donator auf einen Protonen-Akzeptor. Das HCl-Molekül ist hier der Protonen-Donator (die Säure), und das Ammoniak-Molekül ist der Protonen-Akzeptor (die Base).
Allgemein kann man Protolysen folgendermaßen aufschreiben:
A:H ist die Säure, :B die Base. Auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung haben wir den Säurerest A: sowie die neue Säure H:B. In der Tat, durch die Aufnahme eines Protons ist aus der Base :B eine neue Säure H:B entstanden. Theoretisch könnte H:B das Proton ja wieder an eine andere Base abgeben, zum Beispiel an A:, was ja auch schon durch den Doppelpfeil in der Reaktionsgleichung angedeutet wird.
Hier kommen wir wieder zu einem wichtigen Fachbegriff, den wir auch gleich festhalten wollen:
Die aus der Säure A:H hervorgehende Base A: bezeichnet man als korrespondierende Base der Säure A:H.
Die aus der Base :B durch Aufnahme eines Protons entstehende Säure H:B bezeichnet man als korrespondierende Säure der Base :B.
Die Säure A:H und ihre zugehörige korrespondierende Base A: werden auch als korrespondierendes Säure/Base-Paar A:H / A: bezeichnet.
Die Base :B und ihre zugehörige korrespondierende Säure H:B werden ebenfalls als korrespondierendes Säure/Base-Paar H:B / B: bezeichnet.
Betrachten wir dazu folgendes Bild:
Bei einer Protolyse spielen also immer zwei korrespondierende Säure/Base-Paare eine Rolle. Das folgende Bild zeigt das noch etwas deutlicher:
Der graue Pfeil deutet das "Überwechseln" des Protons an.
Hier sehen wir Johannes Nicolaus BRÖNSTED, einen dänischen Chemiker (1879 - 1947), der um 1923 die noch bis heute gültige Definition der Begriffe "Säure" und "Base" aufgestellt hat:
Folie 4
Säuren als Protonendonatoren
Säuren sind Wasserstoff-Verbindungen, die ihren Wasserstoff leicht in Form eines Protons abgeben können.
Folie 5
Basen als Protonen-Akzeptoren
Basen sind Stoffe mit freien Elektronenpaaren, die Protonen anlagern können.
Folie 6
Protonen-Akzeptor NH3
Darstellung im Kugelwolkenmodell.
Diese Folien sind Bestandteil des Foliensatzes "BRÖNSTED-Theorie".
