Säuren und Basen auf Teilchenebene

Beobachtung

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch

Zunächst ist der Universalindikator rot in beiden Kammern und zeigt einen sauren pH-Wert an (Abb. 4). Nach Anlegen der Spannung bilden sich Gasblasen, die nach oben steigen (Abb. 5).

An der Anode (bei diesem Versuch Pluspol) bleibt die Farbe der Lösung rot (Abb. 5).  

An der Kathode (bei diesem Versuch Minuspol) färbt sich die Lösung nach und nach grün-blau (Abb. 5).

Ergebnis

In der Lösung liegt ein Gleichgewicht der Säure- und Wasser-Molekülen mit den Oxonium- und Säure-Rest-Ionen vor. Bei der Salzsäure liegt das folgende Gleichgewicht vor:

\(\ce{HCl + H2O <=> H3O^+ + Cl^-}\)

An der Anode werden Chlorid-Ionen zu Chlor-Molekülen oxidiert, welches gasförmig austritt. Der pH-Wert bleibt sauer, da weiterhin Oxonium-Ionen vorhanden sind. An der Kathode werden die Oxonium-Ionen zu Wasser- und Wasserstoff-Molekülen reduziert. Durch die Bildung der Wasser-Moleküle wird der pH-Wert zunehmend weniger sauer, da der Anteil an Oxonium-Ionen abnimmt. Der Wasserstoff tritt gasförmig aus der Lösung aus.

Oxidation (Anode): \(\ce{2 Cl^- -> Cl2 + 2 e^-}\)

Reduktion (Kathode): \(\ce{2 H3O^+ + 2 e^- -> H2 + 2 H2O}\)

Redox-Reaktion: \(\ce{2 Cl^- + 2 H3O^+ -> Cl2 ^ + H2 ^ + 2 H2O}\)

Was sagt dir dieses Versuchsergebnis über die Zusammensetzung von Säuren?

In dem Becherglas befindet sich zu Versuchsbeginn in beiden Versuchskammern die gleiche Salzsäure-Lösung. Der Indikator zeigt einheitlich für beide Versuchskammern einen sauren pH-Wert an. Durch die Elektrolyse reagieren in der Kammer, in der die Oxidation abläuft, die Chlorid-Ionen zu Chlor-Molekülen. Der Indikator zeigt jedoch weiterhin eine Rotfärbung an. Das heißt, die Ionen oder der Stoff, der für die Färbung des Indikators sorgt, ist unverändert geblieben. Das sind die Oxonium-Ionen die unverändert vorliegen und für die saure Färbung des Indikators sorgen.

In der Kammer, in der die Reduktion abläuft, ist hingegen eine Änderung des pH-Wertes und somit eine Änderung der Farbe des Indikators zu beobachten. In dieser Versuchskammer reagieren Oxonium-Ionen zu Wasserstoff- und Wasser-Molekülen. Daraus kannst du schließen, dass die Oxonium-Ionen, diejenigen Ionen sind, die für die saure Eigenschaft der Salzsäure-Lösung verantwortlich sind.

Alle Säure-Moleküle stehen in wässriger Lösung im Gleichgewicht mit Oxonium-Ionen und Säure-Rest-Teilchen.

Beobachtung

Du kannst, wenn du das Experiment mit anderen sauren Lösungen durchführst, jedes Mal beobachten, dass sich die Färbung des Universalindikators am Minuspol verändert (von rot über gelb zu grün), während sie jeweils am Pluspol unverändert bleibt.

Auswertung

Am Pluspol laufen je nach eingesetzter saurer Lösung unterschiedliche Reaktionen ab, welche jedoch nicht zu einer Veränderung des Indikators führen. Die saure Eigenschaft der Lösung bleibt unverändert.

Am Minuspol hingegen findet die selbe Reaktion statt, wie auch bei der verdünnten Salzsäure-Lösung. Oxonium-Ionen reagieren zu Wasser und Wasserstoff.

Reduktion (Kathode): \(\ce{2 H3O^+ + 2 e^- -> H2 + 2 H2O}\)

Der Indikator zeigt durch seinen Farbumschlag nach gelb/grün, dass der pH-Wert steigt und die Lösung weniger sauer ist. Daraus kannst du schlussfolgern, dass bei allen sauren Lösungen die Oxonium-Ionen diejenigen sind, die für die sauren Eigenschaften verantwortlich sind.

Woher stammen die Oxonium-Ionen?

Die Oxonium-Ionen entstehen jeweils bei der Reaktion der Säure mit Wasser. Du siehst hier die verschiedenen Gleichgewichtsreaktionen der Säuren in wässriger Lösung:

Essigsäure und Wasser stehen im Gleichgewicht zu Oxonium-Ionen und Acetat-Ionen.

\(\ce{CH3-COOH + H2O <=> H3O^+ + CH3-COO^-}\)

Schwefelsäure und Wasser stehen im Gleichgewicht zu Oxonium-Ionen und Sulfat-Ionen.

\(\ce{H2SO4 + 2 H2O <=> 2 H3O^+ + SO4^2-}\)

Kohlensäure und Wasser stehen im Gleichgewicht zu Oxonium-Ionen und Carbonat-Ionen.

\(\ce{H2CO3 + 2 H2O <=> 2 H3O^+ + CO3^2-}\)

Zitronensäure und Wasser stehen im Gleichgewicht zu Oxonium-Ionen und Citrat-Ionen.

\(\ce{H3Zit + 3 H2O <=> 3 H3O^+ + Zit^3-}\)