Chemie / Chemie 12 / Säuren und Basen

Die BRÖNSTED-Theorie

So viel zu dem Versuch und seiner bescheidenen Deutung. 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:

Hier sehen Sie eine Darstellung dieser HCl-Dissoziation nach dem Kugelwolkenmodell, welches ich in meinem Unterricht bevorzuge, weil es teils so leistungsfähig ist wie das Orbitalmodell, aber andererseits noch so anschaulich ist wie das Schalenmodell.

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 Elektronenpaarbindung zwischen dem H- und dem Cl-Atom benötigt man den recht hohen Betrag von 1400 kJ/mol. Das ist zu viel für eine spontane Dissoziation des HCl-Moleküls. Irgendwie müssen die Wasser-Moleküle des destillierten Wassers eine entscheidende Rolle gespielt haben. Die HCl-Dissoziation findet nur in Anwesenheit von Wasser (oder anderen polaren Lösemitteln wie zum Beispiel Ethanol) statt.

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. Aus der Biologie kennen Sie sicherlich solche gekoppelten Reaktionen. Zum Beispiel kann die endotherme Bildung von ATP aus ADP und Phosphat nur dann ablaufen, wenn gleichzeitig Glucose-Moleküle mit Sauerstoff reagieren und dabei viel Energie freisetzen. Ähnlich ist es bei der Reaktion von HCl_(g) mit H₂O_(l).

Betrachten Sie die folgende Übersicht:

Wenn HCl-Moleküle dissoziieren, sind also 1.400 kJ/mol aufzuwenden. Und wenn H₂O-Moleküle dissoziieren, müssen sogar 1.600 kJ/mol aufgebracht werden. Aber darum geht es ja gar nicht. Was ist, wenn eine neue H-O-Bindung entsteht, dort, wo vorher noch keine war? Dann werden 1.600 kJ/mol freigesetzt. Bei der Bildung einer Bindung wird nämlich genau der Energiebetrag freigesetzt, der zur Spaltung genau derselben Bindung notwendig ist.

Das habe ich mal wieder in einer schönen Graphik festgehalten, nicht wahr? Die HCl-Dissoziation kann stattfinden, wenn sich die abgespaltenen Protonen mit Hydroxid-Ionen OH^- zu Wasser-Molekülen H₂O verbinden.

Nun kommen Hydroxid-Ionen gar nicht so häufig in destilliertem Wasser vor. Aber zum Glück geht es noch einfacher. Ein Proton kann sich direkt an ein Wasser-Molekül anlagern und so ein H₃O⁺-Ion bilden, ein sogenanntes Oxonium-Ion.

Diese Abbildung deutet an, wie das geht. Oben sehen wir ein ehemaliges HCl-Molekül. Das H-Atom hat gerade das HCl-Molekül verlassen, es bleibt ein Chlorid-Anion zurück. Die vier Kugelwolken des Chlorid-Anions sind allesamt mit Elektronenpaaren besetzt; die Elektronen sind hier nicht in die Kugelwolken eingezeichnet.

Wo ist das Proton geblieben? Es hat quasi die "Seiten gewechselt" bzw. ist "übergelaufen". Das Wasser-Molekül besteht bekanntlich aus einem O-Atom und zwei H-Atomen, die kovalent miteinander verbunden sind. Zwei Kugelwolken des O-Atoms sind aber frei, sie enthalten jeweils ein Elektronenpaar, man spricht hier auch von freien Elektronenpaaren. Das Proton kann sich nun in eine solche freie Kugelwolke hineinsetzen. Es entsteht dabei eine neue O-H-Bindung, wobei ja eine Energie von 1.600 kJ/mol frei wird. Mehr also, als zur Dissoziation einer H-Cl-Bindung erforderlich sind. Jetzt wissen wir also, was die Triebkraft für die Dissoziation der HCl-Moleküle ist - nämlich die Bildung einer noch stabileren O-H-Bindung am Wasser-Molekül.

Hier sehen wir Johannes Nicolaus Broensted, einen dänischen Chemiker (1879 - 1947), der um 1923 die noch bis heute gültige Definition der Begriffe "Säure" und "Base" aufgestellt hat:

Diesen Versuch können wir mit Hilfe der BRÖNSTED-Definition leicht deuten. 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. Die Doppelpunkte stehen für bindende bzw. freie Elektronenpaare. Damit wird auch klar, was eine Base auszeichnet. Damit sie ein Proton aufnehmen kann, muss sie über mindestens ein freies Elektronenpaar verfügen. 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:

Hier kommen wir wieder zu einem wichtigen Fachbegriff, den wir auch gleich festhalten wollen:

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.

So, Leute, das sollte fürs Erste mal reichen zur Säure/Base-Theorie nach BRÖNSTED. Bis bald!