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Grundwissen

Grundwissen zu Säuren und Basen

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Brönsted-Säuren wirken als Protonendonatoren.
  • Brönsted-Basen wirken als Protonenakzeptoren.
  • Jede Brönsted-Base besitzt mindestens ein freies Elektronenpaar, das die Ausbildung einer Elektronenpaarbindung mit dem aufgenommenen Proton ermöglicht.
  • Jede Brönsted-Säure besitzt eine korrespondierende Base, die sich von der Brönsted-Säure nur durch ein fehlendes Proton unterscheidet.
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LadyofHats, Public domain, via Wikimedia Commons
Abb. 1 Die Verdauungsorgane des Menschen im Überblick

Im Magen eines jeden Menschen wird ätzende Salzsäure-Lösung produziert. Der pH-Wert beträgt (ohne Nahrung) 1,0. Durch die schnelle Erneuerung der Magenschleimhaut wird die Innenwand des Magens jedoch nicht angegriffen. In den verschiedenen Kompartimenten des Darms fehlt  diese Schleimhaut. Angegriffen wird die Darmwand dennoch nicht, weil sich das Milieu durch Zugabe weiterer Stoffe schnell auf einen pH-Wert von ca. 8 ändert. Er wird also basisch. Dass es sich bei der Reaktion von Säuren und Basen um Vorgänge handelt, die vom Reaktionspartner abhängig sind, erfährst du in diesem Artikel genauer.

Die folgenden drei Versuche stellen drei Eigenschaften von Stoffen, die als Säuren oder Basen wirken, dar.

Versuch I: Indikatorpapier mit Hydrogenchlorid-Gas begasen

Das Gas Hydrogenchlorid färbt Indikatorpapier erst rot, wenn dieses zuvor mit Wasser angefeuchtet wurde. Erst nach dem Lösen des Gases im Wasser zeigt das Indikatorpapier die saure Wirkung des Gases an.

Abb. 2 Versuch I: Hydrogenchlorid-Gas und Indikatorpapier (Created with Chemix)

Versuch II: Hydrogenchlorid löst sich in Wasser

Hydrogenchlorid löst sich sehr gut in Wasser und der Universalindikator ändert seine Farbe auf rot.
 

Abb. 3 Versuch II: Einleiten von Hydrogenchlorid in Wasser

Versuch III: Ammoniakspringbrunnen

Ammoniak löst sich sehr gut in Wasser und der Universalindikator ändert seine Farbe auf blau.

Abb. 4 Versuch III: Ammoniakspringbrunnen

Säure-Definition nach Brönsted

Die im Folgenden vorgestellte Säure-Base-Theorie wurde, unabhängig voneinander, von zwei Professoren für Physikalische Chemie, dem Dänen Johannes Nicolaus Brönsted und dem Engländer Thomas Martin Lowry, entwickelt. Da die Arbeiten von Brönsted umfassender waren, wird zumeist sein Name mit diesem Konzept verbunden.

Nach dieser neuen Theorie werden Säuren und Basen folgendermaßen definiert:

  • Säuren sind Moleküle oder Ionen, die bei einer Reaktion Protonen abgeben. Sie werden daher als Protonendonatoren bezeichnet. (lat. donare = spenden) 
  • Basen sind Moleküle, Atome oder Ionen, die bei einer Reaktion Protonen aufnehmen. Sie werden daher als Protonenakzeptoren bezeichnet. (lat. accipere = aufnehmen) 

Die Versuche zeigen, dass die Stoffe einen Reaktionspartner benötigen, um als Säuren oder Basen zu wirken. Das Lösen von Hydrogenchlorid (\( \ce {HCl} \)) in Wasser (\( \ce {H2O} \)) wird nach diesem Konzept nicht mehr als eine Dissoziation des (\( \ce {HCl} \))-Moleküls in Wasser formuliert, sondern als eine Reaktion zwischen dem Protonendonator (\( \ce {HCl} \)) und dem Protonenakzeptor (\( \ce {H2O} \)) beschrieben:

Abb. 5 Reaktionsschema Hydrogenchlorid in Wasser
\( \ce {HCl} \) \( \ce + \) \(\ce {H2O} \) \( \Longleftrightarrow \) \( \ce {H3O^+} \) \( \ce + \) \( \ce {Cl^-} \)
Säure Donator   Base Akzeptor   Säure Donator   Base Akzeptor

 

Da bei den Protonenübergängen Wassermoleküle mit Säureteilchen immer zu Oxonium-lonen ($\ce{H3O^+}$) reagieren, ist eine saure Lösung durch einen Überschuss an Oxonium-lonen charakterisiert. Eine basische Lösung zeichnet sich entsprechend durch einen Überschuss an Hydroxid-Ionen aus ($\ce{OH^-}$).
Bei der oben beschriebenen Reaktion handelt es sich wie bei allen Löseprozessen in Wasser um eine Gleichgewichtsreaktion. Betrachten wir nun die Reaktion in Richtung der Edukte (von rechts nach links), so erkennen wir ebenfalls eine Säure-Base-Reaktion nach Brönsted: Das Oxonium-Ion gibt dabei als Brönsted-Säure ein Proton an das Chlorid-Ion als Brönsted-Base ab.

Beim Löse-Prozess von Ammoniak-Gas in Wasser ist das Ammoniak-Molekül mit dem freien Elektronenpaar der Protonenakzeptor und das Wassermolekül der Protonendonator.

Abb. 6 Löse-Prozess von Ammoniak-Gas in Wasser
\( \ce {H2O} \) \( \ce + \) \(\ce {NH3} \) \( \Longleftrightarrow \) \( \ce {NH4^+} \) \( \ce + \) \( \ce {OH^-} \)
Säure Donator   Base Akzeptor   Säure Donator   Base Akzeptor

Die Reaktion einer Brönsted-Säure ist stets an die Anwesenheit einer Brönsted-Base geknüpft und umgekehrt. Ein Molekül oder Ion kann nur ein Proton abgeben, wenn ein Molekül, Atom oder Ion vorhanden ist, das dieses Proton dann aufnimmt. Am Beispiel des Wassermoleküls erkennst Du, dass es einmal (gegenüber einem Hydrogenchlorid-Molekül, Abb. 5) ein Proton aufnimmt und einmal (gegenüber einem Ammoniak-Molekül, Abb. 6) ein Proton abgibt. 
Ein Atom, Ion oder Molekül ist daher nie absolut eine Brönsted-Säure oder –Base, sondern je nach Reaktionspartner. Es ist also sprachlich korrekter zu sagen, dass ein Atom, Ion oder Molekül in einer Reaktion als Brönsted-Säure oder Base wirkt.

Korrespondierende Säuren und Basen

Joachim Herz Stiftung; Jonas Trautner
Abb. 7 Korrespondierende Säuren und Basen

Zu jeder Brönsted-Säure gibt es eine korrespondierende Brönsted-Base, nämlich genau die, die aus der Säure durch die Abgabe eines Protons entsteht. Umgekehrt gibt es zu jeder Brönsted-Base auch die korrespondierende Brönsted-Säure, nämlich genau diese, die aus der Base durch Aufnahme eines Protons gebildet wird. Diese Säure-Base-Kombinationen, die sich nur durch ein Proton mehr oder ein Proton weniger unterscheiden, werden als korrespondierende oder auch als konjugierte Säure-Base-Paare bezeichnet:

Zusammenfassung

Brönsted klassifiziert Säuren und Basen als Teilchen, die gegenüber anderen Teilchen als Protonendonator bzw. -akzeptor wirken können. Teilchen, die als Protonendonator wirken, werden Brönsted-Säuren genannt. Durch Protonenabgabe entsteht aus einer Säure ($\ce{HA}$) deren korrespondierende Base ($\ce{A^-}$). Teilchen, die als Protonenakzeptor wirken, werden Brönsted-Basen genannt. Durch Protonenaufnahme entsteht aus einer Base ($\ce{B}$) deren korrespondierende Säure ($\ce{HB+}$).

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