Brönsted Säure-Base-Theorie

Ohne das Verständnis von Säuren und Basen in der Chemie müsste man auf viele Fortschritte des modernen Alltags verzichten. Ebenso würde man viele Vorgänge in der Natur bzw. auch im menschlichen Körper nicht verstehen, was für die Medizin unerlässlich ist. Beispielsweise kommen Basen in Waschmitteln und Seifen vor und Säuren werden benutzt, um Lebensmittel haltbar zu machen. Ebenso basieren bestimmte Medikamente, etwa gegen Sodbrennen, auf dem Verständnis von Säuren und Basen.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Doch es stellt sich die Frage, worin sich Säuren und Basen in der Chemie auszeichnen bzw. was die Gruppe der Säuren und Basen jeweils ausmacht. Eine solche Klassifizierung von Molekülen in Säuren und Basen hat schon der dänische Chemiker Johannes Nickolaus Brönsted (eigentlich Brønsted) unternommen und seine Brönsted-Säure-Base-Theorie entwickelt. Diese ist ein immer wiederkehrendes Konzept in der Chemie, aber insbesondere in der organischen und anorganischen Chemie.

    Definition der Brönsted Säure-Base-Theorie

    Wie zu Beginn erwähnt, gibt es also nach Brönsted Verbindungen, die Protonen abgeben und Verbindungen, die Protonen aufnehmen.

    Verbindungen, die Protonen abgeben, nennt man Brönsted-Säuren oder auch Protonendonatoren (engl. to donate = spenden/geben).

    Verbindungen, die Protonen aufnehmen, nennt man hingegen Brönsted-Basen oder auch Protonenakzeptoren (weil sie Protonen aufnehmen/akzeptieren).

    Es ist wichtig zu verstehen, dass Brönsted-Säuren keine Protonen abgeben, wenn keine Brönsted-Base da ist, um die abzugebenden Protonen aufzunehmen.

    Dieses "Donator-Akzeptor-Prinzip" genannte Grundprinzip findet beispielsweise auch bei Redoxreaktionen Anwendung.

    Merken kannst du dir: "Ohne Aufnahme, keine Abgabe!" bzw. "Einer muss geben, der andere nehmen!" Mehr Informationen dazu findest du im StudySmarter Original Donator-Akzeptor-Prinzip.

    Eigenschaften von Säuren und Basen nach Brönsted

    Damit Säuren ihren Reaktionspartner protolysieren können, müssen sie ein Proton besitzen. Deshalb erkennst du Brönsted-Säuren daran, dass sie ein Proton bzw. ein "H" (Wasserstoffatom) in ihrer Summen- bzw. Strukturformel haben. Beispiele für Brönsted-Säuren sind H3PO4 (Phosphorsäure), HCl (Salzsäure) undH2SO4 (Schwefelsäure).

    Basen müssen freie Elektronenpaare aufweisen, an die das Proton (das positiv geladen ist) binden kann (elektrostatische Anziehung). Schließlich bringt das Proton selbst keine Elektronen mit, mit denen eine Bindung zur Base gebildet werden kann. Die freien Elektronenpaare erkennt man in der Strukturformel der Base.

    Brönsted Säure-Base-Theorie Strukturformel Ammoniak StudySmarterAbbildung 1: Strukturformel von Ammoniak

    Ammoniak (NH3) ist ein Beispiel für eine Base. In der Strukturformel ist zu erkennen, dass Ammoniak ein freies Elektronenpaar besitzt (der Querstrich über dem N). Das heißt, dass es ein weiteres Proton aufnehmen kann.

    Wichtig ist zu verstehen, dass sich Protonen, die positiv geladen sind, und ein freies Elektronenpaar elektrostatisch anziehen. So kommt es zur Bildung einer kovalenten Bindung am Stickstoffatom.

    Die beiden Bindungspartner teilen sich nun die Elektronen des Elektronenpaares. Dabei ist ein Elektron näher am Proton; das andere Elektron näher am Stickstoffatom. Somit können dem Stickstoff formal nur noch vier Elektronen zugeordnet werden (ein Elektron pro N-H-Bindung), anstelle der üblichen fünf Elektronen im Ammoniakmolekül mit dem freien Elektronenpaar. Wird Ammoniak also protoniert, entsteht das einfach positiv geladene Ammoniumion NH4+.

    Allgemeine Protolysegleichung

    Ganz allgemein sieht eine Protolyse folgendermaßen aus:

    HX + Y X- + (HY)+

    Man sagt, dass die Säure (HX) die Base (Y) protoniert (= nimmt Proton auf), während die Säure selbst deprotoniert (= gibt Proton ab) wird.

    Beachte, dass die Säure hier nur ein Proton abgeben kann. Es existieren jedoch auch mehrprotonige Säuren wie die Kohlensäure (H2CO3) oder die Schwefelsäure (H2SO4). Diese können dann auch mehrere Protonen abgeben.

    Beachte außerdem, dass es sich bei der Protolyse um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. Das heißt, dass unter bestimmten Umständen die protonierte Base dieses wieder an die deprotonierte Säure zurückgeben kann.

    Im Prinzip kann die Base nach Aufnahme der Protonen als Säure fungieren, während die Säure nach Abgabe der Protonen eine Base nach Brönsted darstellt. Nach jeder Protolyse findet also ein "Rollentausch" statt.

    Man sagt, dass HX und X ein konjugiertes Säure-Base-Paar sind. Dasselbe gilt für Y und HY+.

    Schaue dir als Beispiel folgende Protolyse an, in welcher Salzsäure (HCl) mit Ammoniak (NH3) reagiert:

    HCl + NH3 Cl- + NH4+

    Salzsäure protoniert in diesem Fall Ammoniak, während sie selbst deprotoniert wird. Es sind ein Ammoniumkation (NH4+) und ein Chloridanion (Cl) entstanden.

    Beachte, dass das Chloridanion, welches aus der Salzsäure hervorgeht, nun einfach negativ geladen ist. Dies resultiert aus der Abgabe des einfach positiv geladenen Protons (H+).

    Sonderfälle der Brönsted Säure-Basen-Theorie

    Einige Moleküle können nach Brönsted sowohl als Säuren als auch als Basen reagieren. Diese Substanzen bezeichnet man als Ampholyte.

    Ein Ampholyt ist ein Molekül, das als Brönsted-Säure und Brönsted-Base reagieren kann. Der Begriff Ampholyt leitet sich von den griechischen Wörtern amphis für "auf beiden Seiten" und lysis für "Auflösung" ab. Ampholyte können auch als amphotere Verbindungen bezeichnet werden.

    Neben Ampholyten existieren auch mehrprotonige Säuren, die ihre Protonen stufenweise abgeben. Im folgenden Abschnitt erfährst du mehr über diese beiden Sonderfälle.

    Wasser als Ampholyt

    Dem Wassermolekül kommt in der Säure-Base-Theorie von Brönsted eine besondere Bedeutung zu. Denn Wasser (H₂O) kann sowohl ein Proton aufnehmen, als auch ein Proton abgeben – es ist ein Ampholyt.

    Dadurch, dass Wasser ein Ampholyt ist, kann man in einfachen Fällen immer erwarten, dass der Kontakt von Wasser mit einer Säure bzw. Base zu einer Protolyse führt.

    Dabei nimmt Wasser jeweils die passende Rolle ein:

    Wenn Wasser mit einer Base reagiert, fungiert Wasser als Säure und wird damit deprotoniert. Es entsteht das sogenannte Hydroxidanion (OH).

    Wenn Wasser mit einer Säure reagiert, fungiert Wasser als Base und wird damit protoniert. Es entsteht das sogenannte Hydroniumkation (H3O+).

    Wasser reagiert mit Salzsäure:

    H2O + HCl H3O+ + Cl-

    Wasser hat ein Proton aufgenommen und wurde zu H3O+ protoniert.

    Es fungiert hier als Base.

    Wasser reagiert mit Ammoniak:

    H2O + NH3 OH- + NH4+

    Wasser hat ein Proton abgegeben und wurde zu OH deprotoniert.

    Es fungiert hier als Säure.

    Autoprotolyse des Wassers

    Da Wasser sowohl als Säure als auch als Base fungieren kann, besteht die Möglichkeit, dass ein Wassermolekül mit einem anderen Wassermolekül reagiert. Diesen Vorgang nennt man Autoprotolyse (griechisch auto = selbst).

    Dabei läuft folgende Reaktion ab:

    2H2O H3O+ + OH-bzw.H2O + H2O H3O+ + OH-

    Warum diese Reaktion stattfindet und welche Bedeutung sie hat, erfährst du im StudySmarter Original "Autoprotolyse des Wassers".

    Mehrprotonige Säuren mit amphoteren Zwischenstufen

    Der Säurebegriff nach Brönsted ist nicht ausschließlich auf Säuren beschränkt, die nur ein Proton abgeben können, wie es bisher in den Beispielen der Fall war.

    Wie schon erwähnt, existieren Säuren, die mehr Protonen besitzen und entsprechend mehr Protonen abgeben können. Sie sind mehrprotonig.

    Mehrprotonige Säuren übertragen ihre Protonen in mehreren Schritten an den jeweiligen Reaktionspartner. Dabei treten Säure-Zwischenstufen auf, die Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben können. Sie haben einen sogenannten amphoteren Charakter.

    Wie wahrscheinlich es ist, dass diese amphotere Zwischenstufe ein Proton abgibt bzw. aufnimmt und in welche Richtung sie damit reagiert, hängt von der sogenannten Säurestärke ab. Diese wird meist in Form des pKS-Wertes angegeben. Der pKS-Wert ist für jede Säure spezifisch und gibt an, in welchem Umfang sie protolysiert wird. Je höher der pKS-Wert, desto höher der Protolysegrad.

    Du willst mehr über die Säurestärke und den pKS-Wert wissen? Dann schau dir am besten das StudySmarter Original zu diesem Thema an.

    Für Säuren verschiedener Protolysestufen ergeben sich verschiedene pKS-Werte, wobei bei zunehmender Protolysestufe – und damit auch weniger Protonen am Säuremolekül – die Säurestärke zunimmt.

    Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure und hat die Summenformel H3PO4.

    Somit kann sie insgesamt drei Protonen abgeben und drei Base-Moleküle protonieren.

    Der Einfachheit halber reagiert Phosphorsäure in Wasser und es liegen alle drei Protolysestufen vor:

    (1) H3PO4 + H2O H2PO4- + H3O+(2) H2PO4- + H2O HPO42- + H3O+(3) HPO42- + H2O PO43- + H3O+

    Beachte, dass die Zwischenstufen H2PO4- und HPO42- beide Ampholyte sind, denn beide Zwischenstufen können ein Proton aufnehmen oder abgeben.

    H3PO4 +H+-H+ H2PO4- +H+-H+ HPO42-+H+-H+ PO43-

    Brönsted Säure-Base-Theorie - Das Wichtigste

    • Nach Brönsted sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren.

      • Brönsted-Säuren verfügen daher über mindestens ein Proton.

      • Brönsted-Basen benötigen ein freies Elektronenpaar, um das Proton der Brönsted-Säure aufnehmen zu können.

    • Es gilt das Donator-Akzeptor-Prinzip.
    • Säure-Base-Reaktionen nach Brönsted sind Gleichgewichtsreaktionen, bei denen es zur Ausbildung zweier konjugierter Säure-Base-Paare kommt.
    • Einige Moleküle können als Säure und Base reagieren. Sie heißen Ampholyte.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Brönsted Säure-Base-Theorie

    Was sind Säuren und Basen nach Brönsted?

    Nach Brönsted ist eine Säure eine Verbindung, die Protonen (Wasserstoffkationen bzw. H+) abgibt, während eine Base eine Verbindung ist, die Protonen aufnimmt.

    Wie erkenne ich, ob eine Verbindung eine Säure oder Base ist?

    Eine Säure hat immer mindestens ein ,,H" bzw. ein Proton in seiner Summenformel/Strukturformel stehen. 

    Eine Base kann man prinzipiell nur an der Strukturformel ausmachen. Denn dann sieht man, ob die Base ein freies Elektronenpaar besitzt, was Voraussetzung für die Aufnahme von Protonen ist.

    Was ist eine Base nach Brönsted?

    Eine Base ist nach Brönsted eine Verbindung, die Protonen, also Wasserstoffkationen, aufnehmen kann. Dafür muss sie auch mindestens ein freies Elektronenpaar besitzen (, was man anhand der Strukturformel erkennt).

    Wie lautet die heutige Definition von Säuren und Basen?

    Wenn man nach Brönsteds Säure-Base-Theorie geht, sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren.

    Das heißt, dass Säuren Protonen/Wasserstoffkationen abgeben können, während Basen Protonen/Wasserstoffkationen aufnehmen können.

    Diese Definitionen bzw. dieses Verständis sind/ist aktuell und erklärt sehr viele wichtige Vorgänge in der Chemie.

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