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Das BRÖNSTEDsche Säurekonzept

Nachdem Sie nun einige Säure-Base-Titrationen durchgeführt und damit wichtigen Stoff der Sekundarstufe I wiederholt haben, sollen Sie nun lernen, was der Unterschied zwischen einer Säure und einer sauren Lösung ist und welche Rolle dabei die Protonen bzw. Oxonium-Ionen spielen. Der Säure-Begriff von BRÖNSTED ist Voraussetzung für das gesamte Thema "Säuren, Basen und analytische Verfahren". In fast jeder Abituraufgabe zum Thema "Säuren und Basen" wird ein Eingehen auf das BRÖNSTED-Konzept erwartet.

Ich merke gerade beim erneuten Bearbeiten dieser Seite, dass ich doch recht ausschweifend geworden bin. Daher habe ich eine Kurzfassung dieser Seite geschrieben, die für Grundkursschüler eigentlich auch reichen sollte. Falls Sie Chemie allerdings schriftlich gewählt haben, sollten Sie beide Fassungen durcharbeiten.

Versuch 2

Herstellung und Untersuchung von Salzsäure

Durchführung:

Aus NaCl und konz. Schwefelsäure wird Chlorwasserstoff hergestellt und in dest. Wasser eingeleitet, dem etwas Universalindikator zugesetzt wurde. Außerdem wird die elektrische Leitfähigkeit des Wassers laufend überprüft.

Beobachtungen:

Während der HCl-Einleitung ändert sich die Farbe des Indikators von grün nach gelb und rot, und die elektrische Leitfähigkeit nimmt deutlich zu.

Die genaue Versuchsanleitung finden Sie auf dem Arbeitsblatt 2.2-A.

Die einfachste Erklärung für die Beobachtungen (Rotfärbung des Indikators, Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit) ist die Annahme, dass die HCl-Moleküle in Protonen und Chlorid-Ionen zerfallen, wenn sie sich im Wasser lösen. Die Protonen sorgen für die Rotfärbung des Indikators und gleichzeitig für die steigende elektrische Leitfähigkeit der Lösung. Auch die Chlorid-Ionen tragen zur elektrische Leitfähigkeit bei.

Hier sehen Sie das Bild 13 der Präsentation 1, der Zerfall des HCl-Moleküls in Protonen und Chlorid-Ionen wird zunächst als Reaktionsgleichung und dann mit Hilfe des Kugelwolkenmodells dargestellt.

Das Bild 16 zeigt dann, dass die homolytische Spaltung eines HCl-Moleküls einen Energieaufwand von 1.400 kJ/mol erfordert (Bindungsdissoziationsenergie), was für eine spontane HCl-Spaltung viel zu hoch ist.

Es stellt sich nun die Frage, wieso diese Bindung trotzdem gespalten wird, wenn man HCl in Wasser einleitet. Vermutlich spielen die Wasser-Moleküle dabei eine wichtige Rolle.

Auf der Seite 12 der Präsentation 2 sehen Sie ein Oxonium-Ion. Es besteht aus einem Wasser-Molekül, in das sich ein Proton hineingesetzt hat.

Mit dem Schalenmodell kann man einen solchen Vorgang nicht erklären, mit dem Kugelwolkenmodell ist das dagegen überhaupt kein Problem. Das O-Atom des Wasser-Moleküls verfügt über zwei Kugelwolken, die mit je einem Elektronenpaar besetzt sind (freie Elektronenpaare). Das Proton dagegen kann als ein Gebilde betrachtet werden, dass aus dem Elementarteilchen "Proton" besteht, das sich in der Mitte einer leeren Kugelwolke befindet.

Die leere Kugelwolke des Protons strebt nun danach, mit zwei Elektronen aufgefüllt zu werden (Edelgasregel). Zufällig sind da zwei solche Elektronen in der Nähe, nämlich die freien Elektronen des O-Atoms im Wasser-Molekül. Die leere Kugelwolke des Protons verschmilzt nun mit einer der doppelt besetzten Kugelwolken des O-Atoms, und es entsteht eine gemeinsame Kugelwolke, die mit zwei Elektronen besetzt ist. Das Wasser-Molekül hat ein drittes H-Atom dazu bekommen, ist dafür jetzt allerdings positiv geladen, denn das Proton brachte ja eine positive Ladung (genauer gesagt: ein fehlendes Elektron) mit.

Zur Spaltung der H-Cl-Bindung sind 1.400 kJ/mol an Bindungsdissoziationsenergie notwendig. Das ist ein ganz schön hoher Betrag, der eine spontane Heterolyse bei Zimmertemperatur unwahrscheinlich macht. Aber nun kommt es:

Wenn sich ein Oxonium-Ion aus einem Wasser-Molekül und einem Proton bildet, wird eine Energie von 1.600 kJ/mol freigesetzt. Das sind 200 kJ/mol mehr, als zur Spaltung der H-Cl-Bindung notwendig sind. Nun sollte eigentlich klar sein, wieso die Heterolyse des HCl-Moleküls in Wasser so leicht ist.

Durch das "Wandern" des Protons - durch die Protolyse - vom HCl zum Wasser-Molekül werden insgesamt 200 kJ/mol gewonnen. Es handelt sich also um eine exotherme Reaktion, deren Aktivierungsenergie offenbar so niedrig ist, dass sie beim Einleiten von HCl in Wasser bei Zimmertemperatur spontan und schnell abläuft.

Das System H3O+ / Cl- ist energetisch günstiger als das System H2O / HCl, und diese Tatsache ist die Triebkraft für Heterolyse von HCl und die Übertragung des Protons auf das Wasser.

Protolysen, Protonenakzeptoren und Protonendonatoren

Leider sind wir immer noch nicht fertig mit diesem Thema. Die für das BRÖNSTED-Konzept wichtigen Begriffe Protonendonator und Protonenakzeptor sind noch nicht so richtig erklärt worden, dabei ist es eigentlich ganz einfach.

Protonendonator

Unter einem Protonendonator oder einer Säure versteht man ein Ion oder Molekül, das ein H-Atom besitzt, das an ein elektronegatives Atom gebunden ist und daher leicht heterolytisch gespalten werden kann. Bei dieser Heterolyse wird ein Proton abgegeben, zurück bleibt der sogenannte Säurerest.

Protonenakzeptor

Unter einem Protonenakzeptor oder einer Base versteht man ein Atom, Ion oder Molekül mit einem elektronegativen Atom, das ein freies Elektronenpaar besitzt, an das sich ein Proton anlagern kann.

Protolyse

Eine Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der ein Proton von einem Protonendonator (einer Säure) auf einen Protonenakzeptor (eine Base) übertragen wird.

Hier ein paar Bilder zum Thema, die das eben Gesagte verdeutlichen sollen. Sie können sich aber auch gern die Kurzfassung dieser Seite anschauen, die ein paar neue Bilder zum Thema "Protolysen" enthält:

Eine Protolyse ohne Wasser

Zur "Auflockerung" des Unterrichts und vor allem zur weiteren Erkenntnisgewinnung führe ich dann meistens einen weiteren Versuch vor:

Versuch 3

Reaktion von Chlorwasserstoff mit Ammoniak

Bei diesem Versuch bildet sich schöner dichter weißer Nebel an den Mündungen der beiden Erlenmeyerkolben.

Die Erklärung dieser Beobachtungen finden Sie ebenfalls auf der dritten Präsentation:

Das Bild zeigt die Protolyse, bei der ein Proton von dem HCl-Molekül auf das NH3-Molekül übertragen wird. Die Chlorid-Ionen und die Ammonium-Ionen vereinigen sich dann zu Ammoniumchlorid, einem Salz, das dann den Nebel bildet.

Diese Protolyse ist deswegen interessant, weil hier das Wasser überhaupt keine Rolle spielt.

Der Säure-Begriff im Wandel der Zeit

Am Ende dieser Seite möchte ich noch kurz auf die drei wichtigsten Säure-Begriffe eingehen, nämlich die Säure-Begriffe von ARRHENIUS, BRÖNSTED und LEWIS.

Säure-Begriff von ARRHENIUS

Nach ARRHENIUS sind Säuren Wasserstoff-Verbindungen, die in Protonen und einen Säurerest zerfallen, wenn sie in Wasser gelöst werden. Dieser Säure-Begriff ist zwar veraltet, aber im Alltag im Grunde immer noch gültig.

Basen sind nach ARRHENIUS Verbindungen, die Hydroxid-Ionen abgeben, wenn man sie in Wasser löst. Natriumhydroxid und Calciumhydroxid sind gute Beispiele hierfür. Auch dieser Base-Begriff hat immer noch eine hohe Alltagstauglichkeit. Für den Chemie-Unterricht gibt es allerdings bessere Säure- und Base-Begriffe, wie wir gleich noch sehen werden.

BRÖNSTED

Den Säure-Begriff von BRÖNSTED haben wir ja bereits kennengelernt. Nach BRÖNSTED sind Säuren Moleküle oder Ionen, die Protonen abgeben können und daher als Protonendonatoren bezeichnet werden.

Dieser Säure-Begriff ist weitgehend deckungsgleich mit dem Säure-Begriff von ARRHENIUS, bezieht sich aber auf Teilchen und nicht auf Verbindungen und ist daher wesentlich flexibler.

Salzsäure ist nach BRÖNSTED keine Säure, sondern eine saure Lösung, während die Verbindung Chlorwasserstoff HCl(g) eine Säure ist.

Auch den Base-Begriff von BRÖNSTED ist bereits bekannt. Danach sind Basen Atome, Moleküle oder Ionen, die ein Proton anlagern können. Basen werden von BRÖNSTED auch als Protonenakzeptoren bezeichnet.

Dieser Base-Begriff unterscheidet sich stark von dem Base-Begriff von ARRHENIUS. Das wird am Beispiel NaOH bzw. Natronlauge deutlich.

Nach ARRHENIUS ist NaOH eine Base, denn Natriumhydroxid kann Hydroxid-Ionen abgeben. Nach BRÖNSTED ist NaOH aber keine Base, denn NaOH kann kein Proton anlagern. Nach BRÖNSTED enthält NaOH aber eine Base, nämlich OH-. Das Hydroxid-Ion kann sehr wohl ein Proton aufnehmen. Auch die Verbindung Ammoniak NH3 ist nach ARRHENIUS keine Base, denn Ammoniak enthält keine OH-Gruppen. Nach BRÖNSTED ist das Ammoniak-Molekül aber eine Base, denn es kann wegen des freien Elektronenpaars am Stickstoff-Atom ein Proton aufnehmen.

LEWIS

Der modernste Säure/Base-Begriff kommt von LEWIS, der 1923 für den Nobelpreis nominiert wurde, ihn dann aber nicht erhielt.

Säuren sind nach LEWIS elektrophile Teilchen mit einer leeren Kugelwolke. Basen sind nach LEWIS nucleophile Teilchen mit einer doppelt besetzten Kugelwolke. "Elektrophil" heißt hier, dass die Teilchen auf der Suche nach negativen Ladungen sind, während "nucleophil" das Gegenteil bedeutet; nucleophile Teilchen sind also auf der Suche nach positiven Ladungen (der Atomkern, der Nucleus, ist ebenfalls positiv geladen, daher der Begriff "nucleophil", "Kern liebend").

Was ist nun der Chlorwasserstoff bei LEWIS? Nach LEWIS ist das HCl-Molekül keine Säure, denn das HCl-Molekül besitzt keine leere Kugelwolke, in die die doppelt besetzte Kugelwolke einer LEWIS-Base hineinpassen würde. Das Proton dagegen ist eine typische LEWIS-Säure, denn es ist von einer leeren Kugelwolke umgeben. Auch Aluminiumchlorid AlCl3 ist eine LEWIS-Säure. Stellen wir uns die vier Kugelwolken eines Aluminium-Atoms einmal vor. Aluminium hat drei Außenelektronen, also sind auch nur drei der vier Kugelwolken mit je einem Elektron besetzt. Die vierte Kugelwolke ist leer. In der Verbindung Aluminiumchlorid überlappen die drei einfach besetzten Kugelwolken mit den einfach besetzten Kugelwolken von drei Chlor-Atomen. Die vierte - leere - Kugelwolke des Aluminium-Atoms bleibt leer. In diese leere Kugelwolke könnte sich nun eine LEWIS-Base hineinsetzen, zum Beispiel ein Chlorid-Ion, und mit dem AlCl3 ein AlCl4--Ion bilden.

Abitur NRW:

In den folgenden Abituraufgaben wird in einer Teilaufgabe ein direktes Eingehen auf das Thema "Säure-Base-Theorie nach BRÖNSTED" erwartet:

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