Säure-Base-Reaktionen

3 Säure-Base-Reaktionen als Protonenübertragung

3.1 Säuren und Basen nach Brønsted und Lowry

Säuren geben Protonen ab (Protonendonatoren). Basen nehmen Protonen auf (Protonenakzeptoren).

3.2 Protolysen sind Protonenübertragungen

Bei Protolysen oder Säure-Base Reaktionen werden Protonen von Säuren auf Basen übertragen. (Protonenübergänge).

A−H + |B → H−B⁺ + A|⁻
Beim Protonenübergang wird die kovalente Bindung am H-Atom der Säure gespalten und zum freien Elektronenpaar. Durch den Abgang des positiv geladenen Protons wird die Ladung um eine Elementarladung vermindert. Das freie Elektronenpaar der Base bildet eine kovalente Bindung mit dem H-Atom. Die Aufnahme des Protons erhöht die Ladung um eine Elementarladung.

Beispiele
(i) Chlorwasserstoff und Wasser 









(ii) Ammoniak und Wasser 









(iii) Chlorwasserstoff und Ammoniak 

Aufgaben

1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der Protolysen für folgende allgemeine Formeln für Säuren und Basen. Achten Sie dabei auf die richtige Zuordnung der Ladungen. 
(i) A−H + |B⁻



(ii) A−H⁺ + |B



(iii) A−H⁺ + |B⁻



2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen folgender Protolysen zuerst mit Summenformeln und dann mit Strukturformeln und geschwungenen Pfeilen um die Protonenübergänge zu verdeutlichen.
(i) Schwefelwasserstoff(g) als Säure und Wasser als Base 








(ii) Hydrogensulfid als Säure und Wasser als Base 








(iii) Blausäure (HCN(g)) und Ammoniak(g) 

3.3 Korrespondierende Säure/Base-Paare

Wenn eine Säure ein Proton abgibt bildet der Säurerest die korrespondierende Base. Wenn eine Base ein Proton aufnimmt wird die korrespondierende Säure gebildet. Es sind also immer zwei Säure/Base-Paare an einer Protolyse beteiligt.  HA   +   B−   →   A−   +   BH  Säure/Base-Paare  S1  B2  B1  S2  HA/A− und BH/B−

Aufgaben
1.Geben Sie die chemischen Formeln der korrespondierenden Säuren bzw. Basen an. 

Säure Base  HI   NH3   NH3  H2O

Säure Base  HCOOH  CH3COO- HPO42- CO32-

Säure Base HPO42-  Cl-  HClO  CH3NH3+

2. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen in wässriger Lösung. Das erste Teilchen reagiert als Säure. Geben Sie beide Säure/Base-Paare an.    
(i) Salpetersäure + Sulfat-Ion



(ii) Ammonium-Ion + Sulfid-Ion



(iii) Hydrogensulfid-Ion + Hydroxid-Ion




(iv) Schwefelwasserstoff + Acetat-Ion



(iv) Schwefelwasserstoff + Acetat-Ion

3.4 Ampholyte

Ampholyte oder amphotere Teilchen verhalten sich je nach Reaktionspartner als Säure oder als Base.

Beispiel
Wasser als Säure und Base

H2O(l) + H2O(l) → H3O+(aq) + OH−(aq)    (Autoprotolyse des Wassers) H2O kann sowohl Protonen abgeben (Säurecharakter) wie auch aufnehmen (Basecharakter). Wasser ist ein Ampholyt.  |B BH+  |B BH+      Säure/Base-Paare H3O+      H2O      OH− H3O+/H2O und H2O/OH− A−  HA A−  HA

In wässrigen Lösungen ist H₃O⁺ die stärkste mögliche Säure und OH⁻ die stärkste mögliche Base. In wässriger Lösung ist ein Teilchen dann ein Ampholyt, falls es sowohl mit H₃O⁺ wie auch mit OH⁻ reagieren kann.
Aufgaben
1. Bestimmen und begründen Sie welche der folgenden Teilchen in wässriger Lösung amphoter sind. Formulieren Sie jeweils die möglichen Reaktionen mit H₃O⁺ als Säure und OH⁻ als Base.    
(i) Carbonat-Ion




(ii) Phosphit-Ion




(iii) Hydrogensulfid-Ion




(iv) Hydrogensulfit-Ion

2. Eine Natriumhydrogencarbonat-Lösung ist alkalisch und eine Natriumhydrogensulfat-Lösung ist sauer. Deuten Sie diese Beobachtungen, indem Sie jeweils die Lösungsgleichung und die Protolysegleichung mit Wasser formulieren.    

3.5 Mehrwertige Säuren und Basen
Beispiele
(i) Phosphorsäure (dreiwertige Säure) in Wasser

H3PO4(aq)    +   H2O(l)    ⇌   H2PO4−(aq)   +   H3O+(aq) H2PO4−(aq)  +  H2O(l)  ⇌ HPO42−(aq)  +  H3O+(aq) HPO42−(aq) + H2O(l)  ⇌ PO43−(aq) + H3O+(aq) H3PO4(aq)  + 3 H2O(l)  ⇌ PO43−(aq) + 3 H3O+(aq)

(ii) Natriumcarbonat-Lösung (zweiwertige Base) mit Salzsäure

Lösungsgleichung: Na2CO3(s) → 2 Na+(aq) + CO32−(aq). Salzsäure ist eine wässrige Lösung von Chlorwasserstoff. HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq). Die Protolyse findet zwischen Oxonium- und Carbonat-Ionen statt. CO32−(aq)   +   H3O+(aq)  →  HCO3−(aq)   +   H2O(l)  HCO3−(aq)  +  H3O+(aq) → CO2(aq)   +  2 H2O(l)  CO32−(aq)  +  2 H3O+(aq) → CO2(aq)   +  3 H2O(l)

Aufgaben
1. Formulieren Sie die Gleichungen für die schrittweise Protolyse von Schwefelsäure in Wasser und die Gesamtgleichung (erste Protolyse vollständig und zweite Protolyse als Gleichgewicht). 






2. Formulieren sie die schrittweise Protolyse von Natriumphosphat mit Salzsäure.
Formulieren Sie zuerst die Lösungsgleichung des Natriumphosphats. Die Phosphat-Ionen reagieren mit Oxomium-Ionen als Säure. 

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