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Säuren und Basen
 
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Lord Sulfur



Anmeldungsdatum: 18.06.2006
Beiträge: 340
Wohnort: Tübingen

BeitragVerfasst am: 01. Dez 2007 14:28    Titel: Säuren und Basen Antworten mit Zitat

Folgendes Wissen wird vorausgesetzt:
www.chemikerboard.de/topic,5070,-erstellen-von-reaktionsgleichungen.html
Ich empfehle, den folgenden Text lieber konzentriert in mehrere Abschnitte unterteilt zu lesen. Wer alles auf einmal in sich reinstopfen will sollte sich bewusst sein, dass das hier der Stoff von vielen Chemiestunden auf einmal ist.

Säuren und Basen
Wir beginnen mit den einfachen Definitionen von Säuren und Basen:

Eine Säure ist ein Stoff, der Protonen abgibt.
Eine Base ist ein Stoff der Protonen aufnimmt.

Protonen sind Wasserstoff-Kationen, also positiv geladene Wasserstoffatome. Sie werden dargestellt durch ein H+.
Dies rührt daher, dass Wasserstoffatome nur aus einem Proton und einem Elektron bestehen. Wenn der Wasserstoff sein einziges Elektron abgibt (also zum Kation wird), bleibt nur noch ein Proton übrig.
Proton = Wasserstoffkation,
daher
Proton = H+

Säuren können ihre Protonen nicht einfach in die Luft schießen, sie brauchen immer einen Partner der sie dann aufnimmt (nämlich die Base).
Da Basen Protonen aufnehmen, heißen sie auch Protonenakzeptoren ("Protonenaufnehmer"),
Säuren sind Protonendonatoren ("Protonenabgeber").

Die Protonenwanderung von der Säure zur Base wird auch Protolyse genannt.

Da Säuren dadurch definiert sind, dass sie Wasserstoffkationen abgeben, können nur Stoffe, die überhaupt ein Wasserstoffatom haben, Säuren sein.
Man darf hier aber nicht den Umkehrschluss ziehen, dass jeder Stoff mit einem Wassrstoffatom zwingend eine Säure sein muss.

An diesem Wasserstoffatom H hängt natürlich noch irgendein Rest. Diesen bezeichnet man allgemein mit A. Eine Säure besteht also aus einem Rest an dem mindestens ein Wasserstoffatom hängt. Eine Säure hat daher allgemein den Aufbau
HA


Wenn eine Säure ein positiv geladenes Wasserstoffion abgibt, hat der Rest der übrigbleibt natürlich ein Wasserstoffatom weniger und eine negative Ladung mehr. Die Reaktionsgleichung für diese Protonenabgabe sieht folgendermaßen aus (die Base, die das abgegebene Proton dann aufnimmt, lassen wir erst einmal außer Acht).
HA --> H+ + A-

Da alle Wasserstoffatome gleich sind, unterscheiden sich Säuren nur durch den Rest A an den das Wasserstoffatom gebunden ist (oder durch die Anzahl der Wasserstoffatome, dazu kommen wir später). Ersetzten wir A zum Beispiel durch NO3, so erhalten wir

HNO3 (Salpetersäure)

Weitere Beispiele:
HCl (Chlorwasserstoff)
HCN (Blausäure)
H2O (ja, auch Wasser ist eine Säure, wenn auch nur eine sehr schwache)
Man kann das A durchaus auch durch negativ oder positiv geladene Reste ersetzen, es gibt also auch geladene Säuren. Ersetzten wir zum Beispiel das A durch SO4-, so erhalten wir
HSO4-
Ein weiteres Beispiel für eine geladene Säure wäre HPO42-

Für jede dieser Säuren gilt aber die allgemeine Reaktionsgleichung für Säuren
HA --> H+ + A-


Unsere Beispielsäuren reagieren also folgendermaßen:
HNO3 --> H+ + NO3-
HCl --> H+ + Cl-
HCN --> H+ + CN-
H2O --> H+ + OH-
HSO4- --> H+ + SO42-
HPO42- --> H+ + PO43-

Die abgegeben Protonen müssen immer von einer Base aufgenommen werden. Die Reaktionsgleichungen dazu sind sehr einfach, die Base erhält pro aufgenommenes Proton einfach ein Wasserstoffatom und eine positive Ladung dazu. (Es gibt Basen, die mehrere Protonen aufnehmen können, aber dazu kommen wir später):

NH3 (Ammoniak) + H+ --> NH4+
OH- (Hydroxidion) + H+ --> H2O
H2O + H+ --> H3O+

Wie wir sehen, kann Wasser nicht nur als Säure, sondern auch als Base reagieren. Stoffe wie Wasser, die sowohl als Säure als auch als Base reagieren können, nennt man Ampholyte.

Wir formulieren jetzt eine echte Säure-Base-Reaktion, bei der eine Säure ein Proton abgibt und eine Base dieses Proton aufnimmt. Als Säure nehmen wir Salzsäure und als Base Ammoniak.
HCl + NH3 -->
Die Salzsäure gibt jetzt ein Proton an das Ammoniakmolekül ab:
HCl + NH3 --> NH4++ Cl-

Oder wenn wir als Säure Salpetersäure wählen und als Base Wasser:
HNO3 + H2O --> H3O+ + NO3-

Wenn wir als Säure Wasser und als Base Ammoniak wählen, sieht die Reaktionsgleichung folgendrmaßen aus:
NH3 + H2O --> NH4+ + OH-

Sobald das Wasser das Proton abgegeben hat und zum Hydroxidion geworden ist, kann das Hydroxidion theoretisch auch wieder ein Proton aufnehmen und wieder zu Wasser werden. Das Hydroxidion ist also eine Base.
Das Ammoniumionion NH4+kann dagegen das aufgenommene Proton theoretisch auch wieder abgeben, das Ammoniumion ist also eine Säure.
NH4+ --> NH3 + H+

Der Säurerest (das was von der Säure übriggeblieben ist, wenn sie ein Proton abgegeben hat) kann daher ganz allgemein basisch reagieren.
Basen, die ein Proton aufgenommen haben, können sauer reagieren.
Eigentlich vollkommen logisch. Wenn eine Säure ein Proton abgibt, muss das was übrigbleibt wieder ein Proton aufnehmen (als Base reagieren) um wieder zurück zur Säure zu reagieren. Basen hingegen müssen aufgenommene Protonen abgeben (als Säure reagieren) um wieder zur ursprünglichen Base zurück zu reagieren. Es laufen auch tatsächlich sowohl die Hinreaktion
HA (Säure) + H2O (Base) --> H3O+ (Säure) + A- (Base) als auch die Rückreaktion ab
H3O+ (Säure) + A- (Base) --> HA (Säure) + H2O (Base)
Jetzt kommt's darauf an, welche Reaktion überwiegt: Reagieren sie eher hin oder reagieren sie dann gleich wieder zurück? Starke Säuren reagieren eher hin (mit Wasser als Base sind viele H3O+-Ionen in der Lösung vorhanden, man sagt dann: "Die Säure ist fast vollständig dissoziiert"), schwache Säuren reagieren zum Großteil (mehr als 99% der Moleküle) gleich wieder zurück, es sind also nur wenig H3O+-Ionen in wäßrigen Lösungen von schwachen Säuren(schwache Säuren sind in Wasser also nur wenig dissoziiert).


Wenn eine beliebige Säure mit Wasser reagiert, gibt sie immer Protonen an das Wasser und bildet das H3O+-Ion. Lösungen, die das H3O+-Ion enthalten, nennt man saure Lösungen.
Wenn eine beliebige Base mit Wasser reagiert, nimmt sie immer Protonen vom Wasser auf und es entstehen aus dem Wasser so OH--Ionen. Lösungen, die OH--Ionen enthalten, bezeichnet man als alkalische Lösungen.
Das H3O+-Ion heißt Oxoniumion.
Das OH--Ion heißt Hydroxidion.

Deshalb schmecken wäßrige Säurelösungen (Essig, Zitronensaft etc.) auch immer nach dem gleichen "sauer", obwohl die Säuren chemisch eigentlich völlig unterschiedlich aufgebaut sein können. Aber so verschieden sie sind, sie bilden mit Waser immer das gleiche Oxoniumion, das wir schmecken können.

Bei unseren bisherigen Reaktionsgleichungen hatten wir als Base immer Wasser oder Ammoniak. Weil Wasser und Ammoniak ungeladen sind, sind die Säure-Base-Reaktionsgleichungen mit ihnen meistens ziemlich einfach. Es gibt auch geladene Säuren und Basen, zum Beispiel ist das Hydroxidion OH- eine geladene Base oder das Hydrogensulfation HSO4- eine geladene Säure. Wir verfahren aber auch mit geladenen Säuren und Basen einfach so wie immer:
Die Säure gibt Protonen ab, die Base nimmt sie auf.

Das Problem dabei ist, dass die Stoffe nach außen hin elektrisch neutral sein müssen, das heißt einfach dass es keine reinen geladenen Stoffe gibt. Du wirst in keinem Chemieraum jemals ein Fläschen mit reinen Hydroxidionen oder Hydrogensulfationen oder sonstigen geladenen Stoffen finden. Wenn es reine, freie Hydroxidionen geben würde, würde die Reaktion mit einer Säure (z.B. Salpetersäure) folgendermaßen aussehen:
HNO3 + OH- --> NO3- + H2O
Die Salpetersäure hat ein Proton verloren und wird zu NO3-
Das OH--Ion bekommt das Proton, das heißt die negative Ladung wurde ausgeglichen und statt einem H hat es jetzt 2 H, es wird also zu H2O.

Die Vorgehensweise hat sich seit vorhin also nicht verändert, das Problem ist jetzt allerdings, dass es wie gesagt kein freies OH- gibt (in sich ist die Reaktionsgleichung aber richtig!). Die negative Ladung muss von Anfang ausgeglichen sein! Folgende Aufgabe wird dir dein Lehrer in der Klassenarbeit also nicht stellen:
"Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Salpetersäure und Hydroxidionen"
Er kann aber sagen:
"Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Salpetersäure und Natriumhydroxid"

Da es kein freies OH- gibt, macht er einfach ein (Na+ + OH-) daraus. Natriumhydroxid ist nach außen hin elektrisch neutral und auch in Chemiefläschen zu finden (auch die üblichen Abflussreiniger enthalten Natriumhydroxid, deshalb stehen immer Warnungen auf der Rückseite der Packung!). Die negative Hydroxidionladung wird durch die positive Natriumionladung ausgeglichen. Nehmen wir noch einmal die Reaktionsgleichung von Salpetersäure und Hydroxidionen. Wir ersetzen jetzt die Hydroxidionen einfach mal durch Natriumhydroxid (man könnte natürlich auch Lithiumhydroxid oder sonst irgendetwas nehmen, Hauptsache die negative Hydroxidionladung wird ausgeglichen). Dann sieht die Reaktionsgleichung folgendermaßen aus (und diese Reaktion könnte man auch real im Reagenzglas ablaufen lassen):

HNO3 + Na+ + OH- --> NO3- + Na+ + H2O

Eigentlich kaum ein Unterschied! Die Natriumionen die wir vorher reingeseckt haben, kommen hinten auch wieder genauso raus. Das Natrium dient nur dazu, die Reaktion real möglich zu machen, es reagiert nicht mit! Es reagieren nach wie vor nur Säure und Base, also Salpetersäure und die Hydroxidionen. Die Metallkationen können wir getrost missachten. Hier ein kleiner Hinweis:
Na+ + OH- ist das gleiche wie NaOH.
Bei den Produkten der Beispielgleichung sehen wir:
NO3- + Na+ + H2O

Wir könnten stattdessen auch schreiben:
NaNO3 + H2O
Oder für die ganze Reaktion:
NaOH + HNO3 --> NaNO3 + H2O

Dann sieht man besser, welche einfache Reaktion letztendlich abgelaufen ist:
Edukte: Wir haben ein Natriumatom, an dem der Rest einer sehr schwachen Säure (Wasser) hängt und die Salpetersäure.
Produkte: Wir haben ein Natriumatom an dem der Rest einer starken Säure (Salpetersäure) hängt und der alte Säurerest (das Hydroxidion) hat ein Proton aufgenommen und wieder zur ursprünglichen Säure, nämlich Wasser, zurückreagiert.
Es wurden eigentlich nur die Säuren vertauscht, die starke Säure hat die schwache aus ihrem Salz verdrängt. Wenn du dieses Prinzip verstanden hast, ist jede Säure-Base eigentlich immer gleich: Der Starke vertreibt den Schwachen.

Ein weiteres Beispiel:
KCN + HCl --> HCN + KCl

Aus diesem Grunde ist es wichtig, dass du die gängigen Säuren und ihre Anionen auswendig kennst (traurig, aber unvermeidlich. Unten findest du eine Liste mit den wichtigsten). Denn wenn dir der Lehrer zum Beispiel folgende Reaktionsgleichung gibt,
MgCO3 + HCl -->
dann weißt du direkt, dass das CO32- ursprünglich aus einem H2CO3 stammt, und du kannst die Gleichung sehr schnell (in 1-2 Sekunden) formulieren (ein bisschen Übung gehört dazu). Wenn du einmal den Dreh raus hast, ist es wirklich extrem einfach. Du musst eigentlich nur bis hier alles verstanden haben und dann üben.
Versuche einmal die eben erwähnte Reaktionsgleichung (mit dem MgCO3) zu vervollständigen und zwar möglichst nicht nach Schema, sondern mit Überlegen (nach Schema wird es sowieso schwierig, weil die Reaktionsgleichung etwas neues enthält). Du brauchst es nur einmal(!) zu verstehen. Lies erst weiter, wenn du es geschafft hast, oder wenn es einfach nicht gelingen will.


Mehrwertige Säuren und Basen:
Bisher haben wir uns mit geladenen und ungeladenen Säuren und Basen beschäftigt. All unsere Säuren konnten in den Reaktionsgleichungen aber immer nur ein Proton abgeben und alle Basen nur eines aufnehmen. Es gibt auch mehrprotonige Säuren, also Säuren, die mehrere Protonen abgeben können. Wenn eine Säure (beispielsweise) zwei Protonen abgibt, kann der entstandene Säure-Rest theoretisch auch wieder zwei
Protonen aufnehmen, es gibt also auch zwangsläufig Basen die mehrere Protonen aufnehmen können.

In der letzten Reaktionsgleichung kam eine zweiwertige Base vor: Das Carbonation. Wenn das Carbonation ein Proton aufnimmt, wird es zum Hydrogencarbonation. Das Hydrogencarbonation kann aber noch ein Proton aufnehmen, denn auch das Hydrogencarbonation ist eine Base. Bei Protonenaufnhame wird es zu Kohlensäure (wenn du dich fragst, wie ich darauf komme: das muss man leider auswendig lernen. Schau jetzt am Besten kurz in die Liste, wie Kohlensäure aussieht). Da das Carbonation CO32- zwei Protonen aufnehmen kann, brauchen wir zwei Salzsäuremoleküle, denn die können ja jeweils nur ein Proton abgeben. Die Reaktionsgleichung lautet also:


MgCO3 + 2 HCl --> H2CO3 + MgCl2

Vielleicht fragst du dich jetzt, warum es ausgerechnet MgCl2 ist. Das liegt daran, dass es nunmal nur eine Summenformel für Magnesiumchlorid gibt. Es gibt kein MgCl oder MgCl5, da ein Magnesiumion ja zweifach positiv und ein Chloridion jeweils einfach negativ geladen ist.
Wir können die Reaktion aber auch noch mal umständlich mit Ladungen hinschreiben (wir müssen dafür Wasser dazwischenschieben, weil es kein freies H+ gibt. Es kommt aber auch am Ende wieder als Wasser raus.):
1. 2 HCl + 2 H2O --> 2 H3O+ + 2 Cl-
2. Mg + CO32- + 2 H3O+ + 2 Cl- --> Mg2+ + 2 H2O + H2CO3 + 2 Cl-
Wir können jetzt bei den Produkten das Mg2+ + 2 Cl- zusammenfassen zu MgCl2.
Eigentlich sind wir jetzt schon fertig. Jetzt kommen noch einige (schwierigere) Beispiele und dann noch Übungsaufgaben.

Mein nächstes Beispiel ist:
NaOH + H2SO4 -->

Versuch es wieder erst selber zu lösen, lies dann erst weiter!



Die Schwefelsäure verdrängt das Wasser aus seinem Salz:
NaOH + H2SO4 --> NaHSO4 + H2O
Die Reaktionsgleichung ist so zwar schon richtig, aber wir wollen auch noch das entstandene Natriumhydrogensulfat mit dem Natriumhydroxid reagieren lassen, denn es kann ein weiteres Proton abgeben und sauer reagieren:
NaOH + NaHSO4 --> Na2SO4 + H2O
Oder um es direkt als Gesamtgleichung hinzuschreiben:
2 NaOH + H2SO4 --> Na2SO4 + 2 H2O
Wir brauchen hier pro Schwefelsäuremolekül 2 Natriumhydroxidteilchen, da ein Schwefelsäuremolkeül ja 2 Protonen abgeben will, ein Natriumhydroxidteilchen aber nur eines aufnehmen kann. Vielleicht hat es dich in dieser Reaktion
NaOH + NaHSO4 --> Na2SO4 + H2O
verwirrt, dass beide Natriumatome plötzlich in einer Verbindung sind. Wenn du die Ladungen dazuschreibst wird es hoffentlich klar:
Na+ + OH- + Na+ + HSO4- --> Na+ + Na+ + H2O + SO42-
Das Na+ + Na+ + SO42- können wir, wie wir wissen, zusammenfassen zu Na2SO4

Nächstes Beispiel:
Calciumhydroxid reagiert mit Schwefelsäure. Formuliere die Reaktionsgleichung.
Dazu brauchst du erstmal die Summenformel von Calciumhydroxid. Calcium steht in der 2.Hauptgruppe, daher sind Calciumionen zweifach positiv geladen. Da das OH- einfach negativ ist, müssen an einem Calciumion zwei Hydroxidionen hängen. Also:
Ca(OH)2 + H2SO4 -->
Ein Schwefelsäuremolekül gibt zwei Protonen ab, ein Calciumhydroxidteilchen nimmt zwei auf. Wir brauchen also pro Molekül Schwefelsäuremolkeül ein Calciumhydroxidteilchen.

Ca(OH)2 + H2SO4 --> CaSO4 + 2 H2O

Jetzt kommt das letzte und schwierigste Beispiel:
Schwefelsäure reagiert mit Calciumphosphat.
Stellen wir zunächst einmal die Summenformel von Calciumphosphat auf (schau erst in die Liste, was Phosphorsäure für eine Summenformal hat). Calcium ist 2-fach positiv. Das Phosphation muss 3-fach negativ sein (es entsteht ja, wenn Phosphorsäure 3 H+abgibt. Sonst müsste es Hydrogenphosphat oder Dihydrogenphosphat heißen).
Wir haben also:
Ca3(PO4)2 + H2SO4 -->

Da ein Phosphation jeweils drei H+ aufnehmen kann und ein Schwefelsäuremolekül nur zwei abgeben kann, ist das ein großes Dilemma. Wenn wir zwei Schwefelsäuremolkeüle nehmen haben wir vier Protonen, also eines zu viel. Das ist in Wirklichkeit aber überhaupt kein Problem, es gibt immer eine passendes Verhältnis, das man leicht aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen ableiten kann. Von 2 und 3 ist das kleinste gemeinsame Vielfache 6. Wir brauchen 2 Calciumphosphatteilchen um 6 Protonen aufzunehmen und 3 Schwefelsäuremoleküle um die 6 Protonen zu liefern. Zufällig sind in Calciumphosphat sowieso schon 2 Phosphationen, daher brauchen wir pro Calciumphosphatteilchen 3 Schwefelsäuremoleküle. Also:
Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 -->
Dann kommt die Protolyse und schon sind wir fertig!
Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 --> 3 CaSO4 + 2 H3PO4

Bei den Produkten kann man an dieser Stelle verleitet werden einfach alle Reste zusammenzuschreiben, dann kommt Ca3(SO4)3 dabei raus. Ein einziges Calciumsulfatteilchen hat aber immer die Formel CaSO4, das heißt, man muss die eben genannte Riesenverbindung einfach nur in drei gleiche Bruchstücke zerlgen damit es richtig wird.
Dieses Beispiel war mit Sicherheit eine der schwierigsten Aufgaben, die in der Mittelstufe in einer Klassenarbeit drankommen können. Ich empfehle dir sehr, die folgenden Übungsaufgaben auch noch zu lösen um die ganze aufgenommene Stoffflut noch zu festigen. Wenn du etwas nicht verstanden hast, kannst du natürlich einfach im Forum nachfragen!

Übungsaufgaben:
1. Wie haben wir die Säure definiert (ohne in den Text zu schauen)?
2. Phosphorsäure reagiert mit Wasser. Stell die Reaktionsgleichung auf.
3. Natriumhydroxid reagiert mit Blausäure. Reaktionsgleichung.
4. Natriumchlorid reagiert mit Schwefelsäure. Reaktionsgleichung.
5. Ammoniak reagiert mit Salpetersäure. Reaktionsgleichung.
6. + --> KCl + H2O
7. + --> CaHPO4 + 2 H2O
8. Ist das Hydrogencarbonation (es entsteht, wenn Kohlensäure H2CO3 ein Proton abgibt) eine Säure oder eine Base?




Lösungen
1. Ein Stoff, der Protonen an andere Stoffe abgeben kann, ist eine Säure (das ist übrigens die Definition nach Brönstedt)

2. H3PO4 + 3 H2O --> 3 H3O+ + PO43-

3. NaOH + HCN --> H2O + NaCN

4. NaCl + H2SO4 --> NaHSO4 + HCl
oder was auch geht:
2 NaCl + H2SO4 --> Na2SO4 + 2 HCl

5. NH3 + HNO3 --> NH4NO3
Man kann dazu verleitet werden, hier N2H4O3 zu schreiben. Das darf man aber nicht, da der Stickstoff einmal Teil des negativen geladenen Nitrates(NO3-) ist und sich einmal im positiv geladen NH4+ befindet. Außerdem ist es sowieso übersichtlicher Kation und Anion schön zu trennen.

6. KOH + HCl --> KCl + H2O

7. Ca(OH)2 + H3PO4 --> CaHPO4 + 2 H2O

8. Beides! Es ist also ein Ampholyt. Es kann Protonen aufnehmen:
HCO3- + H2O --> H2CO3 + OH-
oder welche abgeben:
HCO3- + H2O --> CO32- + H3O+





Zum Schluss noch eine Liste mit den Säuren, die man kennen muss.

Liste mit wichtigen Säuren und deren Anionen
H2SO4 (Schwefelsäure, Salze: Hydrogensulfat, Sulfat)
H2SO3 (Schweflige Säure, Salze: Hydrogensulfit, Sulfit)
H3PO4 (Phosphorsäure, Salze: Dihydrogenphosphat, Hydrogenphosphat, Phosphat)
H2CO3 (Kohlensäure, Salze: Hydrogencarbonat, Carbonat)
HNO3 (Salpetersäure, Salz: Nitrat)
HCl (Chlorwasserstoff, Salz: Chlorid) Man sagt auch gerne "Salzsäure" statt "Chlorwasserstoff", das ist allerdings nicht ganz richtig.
Das ist Chlorwasserstoff: HCl
Diese Suppe ist Salzsäure: HCl + H2O --> H3O+ + Cl-


Zuletzt bearbeitet von Lord Sulfur am 28. Feb 2008 12:55, insgesamt 20-mal bearbeitet
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