Reaktion mit Protonenübergang.

Neben den Redoxreaktionen [also Reaktionen mit Elektronenübergang] gibt es auch sehr viele chemische Reaktionen, bei denen Protonenübergänge stattfinden. Man nennt sie auch Protolysen. Mit Protonen sind Wasserstoffionen gemeint. Zu den Protolysen gehören auch Neutralisationen.

Säure-Base-Konzept nach BRÖNSTED, 1923
  • Säuren Teilchen, die bei Reaktionen Protonen H+ abgeben können [Protonendonatoren]
    • Molekülsäuren [Neutralsäuren] z.B. HCl, H2SO4, H2O, CH3COOH
    • Kationsäuren → z.B. NH4+, H3O+
    • Anionsäuren → z.B. HSO4-, HCO3-, HPO42-, H2PO4-
  • Basen Teilchen, die bei Reaktionen Protonen H+ aufnehmen können [Protonenakzeptoren]
    • Molekülbasen [Neutralbasen] z.B. NH3, H2O
    • Kationbasen → z.B. [Al(OH)(H2O)5]2+, N2H5+
    • Anionbasen → z.B. OH-, HCO3-, CO32-, HPO42-, PO43-, O2-, CH3COO-
  • Ampholyte Teilchen, die [je nach Reaktionspartner] Protonen H+ abgeben oder aufnehmen können und somit entweder als Säure oder als Base fungieren
    • Beispiele z.B. H2O, HCO3-, HSO3-, HSO4-, HPO42-
  • Wasser als Ampholyt Wassermoleküle reagieren je nach Reaktionspartner als Säure oder Base
    • Protonenabgabe [als Säure] durch Protonenabgabe [H+] entstehen Hydroxidionen [OH-]
      H2O H+ + OH-
    • Protonenaufnahme [als Base] durch Protonenaufnahme [H+] entstehen Oxoniumionen [H3O+]
      H2O + H+ H3O+
      Hinweis: Oxoniumionen verbinden sich im Normalfall mit 3 Wassermolekülen; dabei entstehen Hydroniumionen [H9O4+]. Diese Wechselwirkungen mit Wassermolekülen vernachlässigen wir hier zwecks Vereinfachung.
  • Protolyse ... ist eine Reaktion mit Protonenübergang [Säure-Base-Reaktion], z.B. Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser, von Ammoniak mit Wasser oder von Säurelösungen mit Basenlösungen [Neutralisationen]
  • Protolysegleichgewichte Protolysen sind umkehrbar [bestehend aus Hin- und Rückreaktion]; es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein
Korrespondierende Säure-Base-Paare
  • Protonen [H+] treten in Lösungen o.a. Phasen niemals isoliert auf - daher kann eine Säure Protonen abgeben, wenn auch eine Base vorhanden ist, die die Protonen bindet [korrespondierende Säure-Base-Paare]; dafür braucht die Base mindestens ein freies Elektronenpaar, um ein Proton [oder mehr] zu binden
  • Säure-Base-Reaktion → bei einer Säure-Base-Reaktion [Protolyse] existieren daher zwei korrespondierende Säure-Base-Paare, die miteinander in Wechselwirkung treten; dabei entsteht aus Säure 1 infolge Protonenabgabe die Base 1 und durch Aufnahme der Protonen aus Base 2 die Säure 2
  • Prinzip → Korrespondierende Säure-Base-Paare bei einer Protolyse [zum Vergrößern Modell anklicken]
  • Beispiel → korrespondierende Säure-Base-Paare bei der Reaktion von Ammoniumionen mit Wasser [übrigens der Grund, weshalb Ammoniumsalze sauer reagieren]
    S1   B2   B1   S2
    NH4+ + H2O NH3 + H3O+
Chemische Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser als Protolyse
  • Reaktion [Modell] Protonenübergang bei der Reaktion von Chlorwasserstoff [Hydrogenchlorid] mit Wasser [zum Vergrößern Reaktionsgleichung anklicken]
  • Erläuterung der Reaktion → jedes HCl-Molekül gibt jeweils ein Protonen [H+] an je ein Wassermolekül ab [Protolyse]:
    Protonenabgabe: HCl H+ + Cl-
    Protonenaufnahme: H+ + H2O H3O+
    Protonenübergang [gesamt]: H2O + HCl H3O+ + Cl- ; ΔH = -n kJ ·mol-1
  • Chemisches Gleichgewicht → Förderung der Hinreaktion durch ....
    • Temperaturerniedrigung [da exotherm]
    • Druckerhöhung [da Volumenabnahme; nur HCl ist gasförmig]
    • Förderung der Rückreaktion durch entgegengesetzte Bedingungen [mehr]
  • Reaktion mit Indikatoren → frei bewegliche Oxoniumionen [vereinfacht Wasserstoffionen] verursachen eine Rotfärbung von Universalindikator [Unitest]
  • Nachweis der Chloridionen → weißer Niederschlag bei Zugabe von Silbernitratlösung durch Bildung schwerlöslichen Silberchlorids Ag+ + Cl- AgCl
  • elektrische Leitfähigkeit → die wässrige Lösung von Chlorwasserstoff leitet den elektrischen Strom infolge frei beweglicher Ionen
  • korrespondierende Säure-Base-Paare → bei dieser Reaktion [mehr dazu hier]
    B2   S1   S2   B1
    H2O + HCl H3O+ + Cl-
  • Chlorwasserstoff und Salzsäure → mehr erfahren
Chemische Reaktion von Ammoniak mit Wasser als Protolyse
  • Reaktion [Modell]Protonenübergang bei der Reaktion von Ammoniak mit Wasser [zum Vergrößern Reaktionsgleichung anklicken]
  • Erläuterung der Reaktion → jedes Ammoniak-Molekül nimmt jeweils ein Protonen [H+] von einem Wassermolekül auf [Protolyse]:
    Protonenabgabe: H2O H+ + OH-
    Protonenaufnahme: H+ + NH3 NH4+
    Protonenübergang [gesamt]: NH3 + H2O NH4+ + OH- ; ΔH = -m kJ ·mol-1
  • Reaktion mit Indikatoren → frei bewegliche Hydroxidionen verursachen eine Blaufärbung von Universalindikator [Unitest]
  • Nachweis der Ammoniumionen → z.B. durch Zugabe von Natronlauge wird die Rückreaktion gefördert und es entweicht Ammoniak - Nachweis mittel Salzsäure am Glasstab in der Gasphase möglich [weißer Rauch]
  • elektrische Leitfähigkeit → die wässrige Lösung von Ammoniak leitet den elektrischen Strom infolge frei beweglicher Ionen
  • Chemisches Gleichgewicht → Förderung der Hinreaktion durch ....
    • Temperaturerniedrigung [da exotherm]
    • Druckerhöhung [da Volumenabnahme; nur NH3 ist gasförmig]
    • Förderung der Rückreaktion durch entgegengesetzte Bedingungen [mehr]
  • korrespondierende Säure-Base-Paare → bei dieser Reaktion [mehr dazu hier]
    B2   S1   S2   B1
    NH3 + H2O NH4+ + OH-
Protolyse in der Gasphase
  • Beispiel chemische Reaktion von Chlorwasserstoff [Hydrogenchlorid] und Ammoniak in der Gasphase:
    NH3 (g) + HCl (g) NH4Cl (s)
  • Praxis → Stehen geöffnete Ammoniak- und Salzsäureflaschen geöffnet nebeneinander [hierbei entweichen ständig die Gase Ammoniak bzw. Chlorwasserstoff], wird ein weißer Rauch beobachtet. Dieser besteht aus feinkristallinem Ammoniumchlorid.
  • Hinweis dadurch lassen sich die beiden Gase übrigens gegenseitig nachweisen
  • Erläuterung der Reaktion → jedes Ammoniak-Molekül nimmt jeweils ein Protonen [H+] von einem Chlorwasserstoffmolekül auf [Protolyse]:
    Protonenabgabe: HCl H+ + Cl-
    Protonenaufnahme: H+ + NH3 NH4+
    Protonenübergang [gesamt]: NH3 + HCl [NH4+ + Cl-] ; ΔH = -x kJ ·mol-1
  • korrespondierende Säure-Base-Paare → bei dieser Reaktion [mehr dazu hier]
    B2   S1   S2   B1
    NH3 + HCl NH4+ + Cl-
Mehrstufige Protolyse mehrprotoniger Säuren
  • Info → mehrprotonige [mehrwertige] Säuremoleküle [wie H2SO4, H3PO4 oder H2CO3] sind dadurch charakterisiert, dass sie mehrere Protonen abgeben können, was sich stufenweise vollzieht
  • Beispiel Reaktion von Schwefelsäure mit Wasser ...
  • stufenweise Protolyse → Protonenübergang [H+] in 2 Stufen:
    Bildung von Hydrogensulfationen (Stufe 1): H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4-
    Bildung der Sulfationen (Stufe 2): HSO4- + H2O H3O+ + SO42-
    gesamt: H2SO4 + 2 H2O 2 H3O+ + SO42-
  • Reaktionsgleichung gesamt Jeweils ein Schwefelsäuremolekül reagiert mit zwei Wassermolekülen zu zwei Oxoniumionen H3O+ sowie einem Sulfation SO42- [exotherm]:
    H2SO4 + 2 H2O 2 H3O++ SO42- ; ΔH = -a kJ ·mol-1
  • Tipp Mehr über Schwefelsäure und Kohlensäure erfahren.
Autoprotolyse des Wassers
  • Infos → Autoprotolyse ist die Reaktion von Wassermolekülen mit sich selbst. Dabei gibt ein Wassermolekül je 1 Protonen ab, das vom anderen aufgenommen wird. Dadurch entstehen Oxoniumionen und Hydroxidionen im Verhältnis 1 : 1.
    Das chemische Gleichgewicht ist allerdings stark zu Gunsten der Wassermoleküle verschoben, so dass die elektrische Leitfähigkeit nur geringfügig [aber dennoch vorhanden und mit empfindlichem Messgerät messbar] ist.
    Protonenabgabe: H2O H+ + OH-
    Protonenaufnahme: H+ + H2O H3O+
    Protonenübergang [Autoprotolyse des Wassers]: H2O + H2O H3O+ + OH-
pH-Wert
  • Begriff pH-Wert → Zahlenangabe zur Charakterisierung der Oxoniumionen- bzw. Hydroxidionenkonzentration in einer wässrigen Lösung
  • Zusatz-Info pH-Wert → ... ist der negative dekadische Logarithmus der Oxoniumionen-Konzentration
  • pH-Wert-Skala → Farbreaktionen verschiedener Stoffe mit Universalindikator [Unitest] [zum Vergrößern Bild rechts anklicken]
  • Messung → mittels Messgerät oder mit Hilfe von Indikatoren
  • Indikatoren für Säuren → Universalindikator [Unitest], Lackmus, Bromthymolblau, Methylrot, Methylorange
  • Indikatoren für Basen → Universalindikator [Unitest], Phenolphthalein, Lackmus
Grundlagen der Neutralisation
  • Modell → Praktisches Vorgehen bei einer Neutralisation [zum Vergrößern Bild anklicken]
  • Erläuterung → Eine Säure- und eine Basenlösung mit gleicher Konzentration, z.B. c(H3O+) = c(OH-) =
    0,1 mol · L-1, werden zur Reaktion gebracht. Der Farbumschlag des Indikators zeigt den Äquivalenzpunkt an - es entstehen unter Wärmeabgabe Wassermoleküle. Nach dem Eindampfen der Lösung erhält man Salzkristalle.
  • Wesen der Neutralisation → Bei jeder Neutralisation reagieren Oxoniumionen [der Säure] mit Hydroxidionen [der Base] bei einer Säure-Base-Reaktion [Protolyse] zu Wassermolekülen.
    Protonenabgabe: H3O+ H+ + H2O
    Protonenaufnahme: H+ + OH- H2O
    Protonenübergang [gesamt]: H3O+ + OH- 2 H2O ; ΔH = -n kJ ·mol-1
  • Neutralisation vereinfacht → H+ + OH- H2O
    Hierbei wird die Bildung von Oxoniumionen aus Wassermolekülen und Wasserstoffionen vernachlässigt.
  • korrespondierende Säure-Base-Paare → bei Neutralisationen [allgemein] in wässriger Lösung
    S1   B2   B1   S2
    H3O+ + OH- H2O + H2O
Grundlagen der Neutralisationsanalyse
  • Maßanalyse [Titration] → quantitatives Analyseverfahrung zur Bestimmung unbekannter Konzentrationen
  • praktische Durchführung einer Titration zur Neutralisationsanalyse Die Maßlösung in der Bürette wird solange in die Analysenlösung, die einen geeigneten Indikator enthält, getropft, bis nach 1 Tropfen der Farbumschlag erfolgt; aus dem verbrauchten Volumen an Maßlösung kann die Konzentration der Analysenlösung berechnet werden [zum Vergrößern Bild rechts anklicken]
    • Maßlösung → Lösung mit bekannter Stoffmengenkonzentration; hier eine
      0,1 M NaOH [Natriumhydroxidlösung mit einer Konzentration von 0,1 mol·L-1]
    • Analysenlösung → Lösung mit unbekannter Konzentration, die bestimmt werden soll bzw. deren Stoffmenge oder Masse [hier eine Salzsäurelösung]
    • Äquivalenzpunkt → Konzentration von Oxonium- und Hydroxidionen sind gleich; dadurch Farbumschlag des Indikators [hier geeignet z.B. Bromthymolblau oder Phenolphthalein; Universalindikator ist im Umschlag eher zu grob]
  • Tipp 1 → je verdünnter die Lösungen, um so leichter ist die Titration [Verdünnungsverhältnis muss man beim Berechnen berücksichtigen]
  • Tipp 2 → zur Erhöhung der Genauigkeit titriert man mehrmals und bildet den Mittelwert aller Verbräuche
  • Reaktion im Beispiel Chlorwasserstoffsäurelösung und Natriumhydroxidlösung reagieren zu Natriumchlorid und Wasser ...
    HCl + NaOH NaCl + H2O ; exotherm
  • Ionengleichung mit Oxoniumionen ↓
    H3O+ + Cl- + Na+ + OH- Na+ + Cl- + 2 H2O
  • Ionengleichung verkürzt → H3O+ + OH- 2 H2O
  • Ionengleichung ohne Oxoniumionen
    H+ + Cl- + Na+ + OH- Na+ + Cl- + H2O
  • Ionengleichung ohne Oxoniumionen verkürzt → H+ + OH- H2O
Schritt Erläuterung Formeln
1 Am Äquivalenzpunkt ist die Stoffmenge der zu bestimmenden Säure (Base) gleich der Stoffmenge der in der verbrauchten Maßlösung enthaltenen Base (Säure) ...
Bedingung: einprotonige Säure und Base
1: Analysenlösung [hier HCl]
2: Maßlösung [hier NaOH]
n1 = n2
2 Die Stoffmengenkonzentration ist der Quotient aus Stoffmenge und Volumen ...
3 Umgestellt nach n ergibt sich ... n = c · V
4 Aus Schritt 1 und 3 resultiert ... c1 · V1 = c2 · V2
5a Um die Konzentration der Analysenlösung c1 [hier cHCl] zu berechnen, stellt man um. Dabei sind ...
  • V1 das Volumen der Analysenlösung [hier VHCl]
  • V2 das verbrauchte Volumen an Maßlösung [hier VNaOH]
  • c2 die Konzentration der Maßlösung [hier cNaOH]
5b Zur Berechnung der Stoffmenge nutzt man ... n1 = c2 · V2
5c Zur Massenberechnung ergibt sich ergibt sich wegen m = n · M ... m1 = M1 · c2 · V2
Beispiel 1 einer Neutralisationsanalyse
  • Aufgabe → Bei einer Neutralisationsanalyse werden bei 3 Proben einer Chlorwasserstoffsäure zu je 25 mL Verbräuche an 0,1 M Natronlauge von 15,29 mL, 15,33 mL und 15,34 mL ermittelt. Welche Stoffmengenkonzentration hat die Chlorwasserstoffsäure?
  • Reaktionsgleichung → HCl + NaOH NaCl + H2O
  • Grundlagen → siehe hier
  • gegeben → VNaOH = 15,32 mL [Mittelwert], cNaOH = 0,1 mol · L-1, VHCl = 25 mL
  • gesucht → cHCl
  • Lösung ↓
  • Antwort → Die untersuchte Salzsäure hat eine Stoffmengenkonzentration von 0,0613 mol · L-1.
Beispiel 2 einer Neutralisationsanalyse
  • Aufgabe → Zur Neutralisation von 3 Proben Ethansäurelösung von je 25 mL werden 24,57 mL, 24,55 mL und 24,53 mL einer 0,1M Natriumhydroxidlösung verbraucht. Wie groß ist die Stoffmenge sowie die Masse der gelösten Ethansäure [Essigsäure] in 25 mL Lösung?
  • Reaktionsgleichung → CH3COOH + NaOH NaCH3COO + H2O
  • Grundlagen → siehe hier
  • gegeben → VNaOH = 24,55 mL [Mittelwert], cNaOH = 0,1 mol · L-1, VHCl = 25 mL
  • gesucht → nCH3COOH und mCH3COOH
  • Lösung 1→ nCH3COOH = cNaOH · VNaOH = 0,1 mol · L-1 · 0,02455 L = 0,002455 mol = 2,455 mmol
  • Lösung 2 ↓
    mCH3COOH = MCH3COOH · cNaOH · VNaOH = 60 g · mol-1 · 0,1 mol · L-1 · 0,02455 L = 0,147 g = 147 mg
  • Antwort → In 25 mL der untersuchten Ethansäurelösung sind 2,455 mmol bzw. 147 mg Ethansäure enthalten.
Einige Fachbegriffe dieser Seite
  • saure Lösung wässrige Lösung, die Wasserstoffionen H+ enthält [diese bilden gemeinsam mit je einem Wassermolekül die Oxoniumionen H3O+]; pH-Wert ist kleiner als 7
    H+ + H2O H3O+
  • basische Lösung wässrige Lösung, die frei bewegliche Hydroxidionen OH- enthält; diese färben Universalindikatorlösung [Unitest] blau; pH-Wert liegt über 7
  • Dissoziation [dissoziieren] → Bildung von frei beweglichen Ionen in wässriger Lösung
  • Säure [nach BRÖNSTED] Teilchen, die Protonen H+ abgeben können [Protonendonatoren]
  • Base [nach BRÖNSTED] Teilchen, die Protonen H+ aufnehmen können [Protonenakzeptoren]
  • Reaktionswärme [Reaktionsenthalpie] exotherm [Abgabe von Wärmeenergie] ΔH = -n kJ · mol-1; endotherm [Aufnahme von Wärmeenergie] ΔH = +n kJ · mol-1; manchmal auch mit Q = ... statt ΔH angegeben (Q für Wärmemenge); Einheit kJ · mol-1 auch kJ/mol
    Bei umkehrbaren Reaktionen gilt die Angabe für die Hinreaktion [für die Rückreaktion dann das Gegenteil]!
  • ΔH → Änderung der Enthalpie bei einer Reaktion, also Energiebilanz bei einer chemischen Reaktion unter konstantem Druck [Differenz der Enthalpie der Produkte und Ausgangsstoffe, d.h. ihrer chemischen Energien]
  • Protolyse [nach BRÖNSTED] Reaktion mit Protonenübergang; mindestens ein Proton H+ wird von einem Teilchen abgegeben [Protonendonator; Säure], das von einem anderen Teilchen [Protonenakzeptor; Base] wieder aufgenommen wird
  • einprotonige Säure → Säuremoleküle, die mehr ein Proton H+ abgeben können [z.B. HCl, HNO3, CH3COOH]
  • mehrprotonige Säure → Säuremoleküle, die mehr als ein Proton H+ abgeben können [z.B. zwei- oder dreiprotonige Säuren, siehe H2SO4 oder H3PO4]
  • umkehrbare Reaktion → Einstellung eines chemischen Gleichgewichts zwischen Hin- und Rückreaktion; gekennzeichnet mit einem Doppelpfeil [mehr]
  • Prinzip von Le Chateliér und Braun → Prinzip vom kleinsten Zwang; wenn man auf das System einer umkehrbaren chemischen Reaktion einen Zwang [Änderung der Reaktionsbedingungen Druck, Temperatur und Konzentration] ausübt, so wird ein neues chemisches Gleichgewicht eingestellt, das dem Zwang ausweicht [mehr zum Thema auch hier]
    • endotherme Teilreaktion [ΔH = +n kJ · mol-1] wird durch Wärmezufuhr begünstigt
    • exotherme Teilreaktion [ΔH = -n kJ · mol-1] wird begünstigt durch Wärmeentzug [niedrige Temperatur]
    • Reaktion mit Volumenabnahme [Erkennbar an der Abnahme der Stoffmenge von Gasen in der Reaktionsgleichung] wird durch Druckerhöhung begünstigt; nur bei Reaktionen mit mindestens einem Gas

    • Reaktion mit Volumenzunahme [Erkennbar an der Zunahme der Stoffmenge von Gasen in der Reaktionsgleichung] wird durch Druckerniedrigung begünstigt; nur bei Reaktionen mit mindestens einem Gas
    • Erhöhung der Stoffmengenkonzentration eines Ausgangsstoffes begünstigt die Reaktion, bei der dieser Stoff verbraucht wird
    • Entzug eines Reaktionsproduktes aus dem Gleichgewicht begünstigt die Teilreaktion, bei der dieser Stoff entsteht
  • Kation → positiv geladenes Ion
  • Anion → negativ geladenes Ion
Quellenangaben
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