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Anorganische Chemie - Protolyse, Protonenübergang

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Anorganische Chemie

Protolyse, Protonenübergang

Protonen, Protolysen und Protonenübergang

Das Proton $ H^+$ -Ion steht in diesem Abschnitt besonders im Fokus. So kann eine Verbindung nur dann als Säure wirken, wenn der Gegenspieler, also eine Base, zeitgleich vorhanden ist. Denn die Base nimmt das zuvor von der Säure abgegebene Proton auf. Diesen Vorgang bei dem Protonenübergänge stattfinden nennt man Protolyse. 

Merke

Sie sollten sich außerdem merken, dass Protonen keine Teilchen sind, die sich im Reaktionsmedium frei bewegen. Sie werden nach der Abgabe direkt von einer Base abgefangen. 

Die Protolyse verfährt somit eindeutig nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip. 

Übersicht von Säuren und Basen

In der ersten der beiden nachfolgenden Tabellen haben wir Ihnen die bekanntesten Säuren, inkl. Summenformel und Gegenion, aufgeführt:

SummenformelGegenionSäurenbezeichnung
$ HCl $$ Cl^{-} $Chlorwasserstoff (Salzsäure)
$ HClO_3 $$ ClO_3^{-} $Chlorsäure
$ HClO_2 $$ ClO_2^{-} $Chlorige Säure
$ HF $$ F^{-}$Flusssäure
$ H_2SO_4 $$ SO_4^{2-} $Schwefelsäure
$ H_2SO_3 $$ SO_3^{2-} $Schweflige Säure
$ H_3PO_4 $$ PO_4^{3-} $Phosphorsäure
$HNO_3 $$ NO_3^{-}$Salpetersäure
$HNO_2 $$ NO_2^{-}$ Salpetrige Säure
$ H_2CO_3 $$ CO_3^{2-} $Kohlensäure
$ H_2S $$ S^{2-} $Schwefelwasserstoff
   

In der zweiten Tabelle finden Sie die wichtigsten Basen, inkl. Summenformel und Gegenion.

SummenformelGegenionBasenbezeichnung
$ NH_3 $$ NH_4^+ $Ammoniak
$ NaOH$$ Na^+ $Natriumhydroxid
$ KOH $$ K^+ $Kaliumhydroxid
$ Ca(OH)_2 $$ Ca^{2+} $Calciumhydroxid
Lösen von Säuren und Basen
  • Löst man eine bestimmte Menge von einer Säure (bspw. der obigen Tabelle) in einem festgelegten Wasservolumen, so erhält man eine Säure, die eine bestimmte Konzentration aufweist. 

  • Löst man eine bestimmte Menge von einer Base (bspw. der obigen, zweiten Tabelle) in einem festgelegten Wasservolumen, so erhält man eine Lauge, die eine bestimmte Konzentration aufweist. Anstelle von Lauge wir häufig die eingängigere Bezeichung Base verwendet. 

Protolyse von Säuren und Basen, Dissoziation

Wenn man eine Säure oder eine Base in ihre Ionen innerhalb eines Lösungsmittels auflöst, so bezeichnet man diesen Vorgang als Dissoziation. Die Dissoziation ist ebenfalls eine Protolyse. Nun schauen wir uns die Protolyse jeweils für eine Säure und eine Base an. 

Protolyse einer Säure

Um die Protolyse einer Säure einfacher nachvollziehen zu können, nutzen wir für die Reaktionsgleichung eine allgemeine Bezeichnung $ HA $.

Hierzu stellen wir die Dissoziation der Säure $ HA $ zu seinen Ionen isoliert dar:

Beispiel

$ HA \rightleftharpoons H^+ + A^- $

Sie sehen, dass unsere Säure Protonen ( $ H^+ $ - Ionen ) liefert. Der Doppelpfeil zeigt gleichzeitig, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. So ergibt die Hinreaktion aus dem Edukt $ HA $ die Produkte, hier Ionen $ H^+ $ und $ A^- $. Gleichzeitig findet aber auch eine Rückreaktion statt, bei der aus den Ionen $ H^+ $ und $ A^- $ sich wieder die eingesetzte Säure ergibt. Die Säure selbst ist ein ungeladenes (=neutrales) Teilchen. Sobald ein positives Wasserstoffion aus dem neutralen Teilchen freigesetzt wird, muss zwangsläufig ein Gegenion entstehen, welches die positive Ladung in der Rückreaktion wieder aufheben kann. In unserem Beispiel ist das Gegenion $ A^- $. 

Merke

Bei der Dissoziation einer Säure werden neben den Protonen auch Gegenionen in der richtigen stöchiometrischen Anzahl freigesetzt. 

Im nächsten Schritt betrachten wir die Dissoziation einer Säure in Wasser $ H_2O$:

Die Reaktionsgleichung ist dabei wie folgt.

Methode

Dissoziation von Säure in Wasser: $ HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^- $

Das Wasser stellt in dieser Reaktion sowohl das Lösungsmittel als auch die Base dar. Unsere Säure gibt ein Proton $ H^+ $ ab. Übrig bleibt lediglich ein Gegenion $ A^- $. Denn die Base ( $ H_2O $) nimmt das abgegebene Proton $ H^+ $ auf, daher $ H_3O^+ $. Die Reakion muss so ablaufen, da Protonen nicht frei im Reaktionsmedium vorhanden sein dürfen. Deshalb hat auch das neutrale Wasserteilchen eine positive Ladung erhalten.

Merke

Wässrige Lösungen von Säuren liefern Oxoniomionen $ H_3O^+ $. Diese Ionen erzeugen den sauren Charakter einer Lösung.  
Protolyse einer Base

Wie wir bereits wissen nehmen Basen ( $ B $ ) Protonen ( $ H^+ $ -Ionen) auf, weshalb auch ein Lieferant für diese im Reaktionsmedium vorhanden sein muss. Ansonsten kann die Base nicht als Base wirksam werden. Erneut stellen wir eine Gleichung auf bei der eine Protolyse mit einer allgemeinen Base $ B $ im Lösungsmittel $ H_2O $ stattfindet.

Methode

Dissoziation einer Base in Wasser: $ B + H_2O \rightleftharpoons BH^+ + OH^- $

In der Hinreaktion nimmt die Base ein Proton $ H^+ $ vom Wasser $ H_2O $ auf und es ergibt sich ein positives Ion $ BH^+ $. Zeitgleich wird ein Hydroxidion $ OH^- $ freigesetzt.
Die Besonderheit hier ist, dass das Wasser sowohl als Lösungsmittel wie auch als Protonenlieferant dient. Diese Eigenschaft des Wassers erinnert doch stark an eine Säure. Die Reaktionspfeile verraten bereits, dass auch eine Rückreaktion stattfindet, bei der das Hydroxidion ein Proton vom positiven Ion $ BH^+ $ aufnimmt und der Ausgangszustand mit den beiden Edukten $ B $ und $ H_2O $ wieder hergestellt wird.

Basen setzen in wässrigen Lösungen Hydroxidionen frei, die nicht in ihrer Struktur gebunden sind. Die Hydroxidionen entstammen dem Lösungsmittel und erzeugen den basischen Charakter einer Lösung.