Das Geben und Nehmen spielt eine große Rolle in der Chemie. Hier ist diese Funktionsweise auch unter dem Namen Donator-Akzeptor-Prinzip bekannt.
Grundlagen des Donator-Akzeptor-Prinzips
Eine Menge chemischer Reaktionen basieren auf dem Donator-Akzeptor-Prinzip. In diesen Reaktionen gibt es immer einen Donator und einen Akzeptor. Dabei überträgt ein Donator (Spender) ein Teilchen auf einen Akzeptor (Empfänger). Je nach Art der Reaktion können verschiedene Teilchen übertragen werden.
Donator und Akzeptor – Definition
Ein Donator ist in der Chemie eine Verbindung, die die Fähigkeit hat, ein Teilchen oder funktionelle Gruppe abzulösen.
Ein Akzeptor ist in der Chemie eine Verbindung, welche die Möglichkeit besitzt, Teilchen eines Reaktionspartners aufzunehmen.
In der Chemie werden ständig Elektronen aufgenommen beziehungsweise abgegeben. Diese Form des Donator-Akzeptor-Prinzips ist beispielsweise bei Redoxreaktionen vertreten. Eine andere typische Art des Donator-Akzeptor-Prinzips ist die Aufnahme und Abgabe von Protonen, welche bei Säure-Base-Reaktionen vorkommen.
Beispiele zum Donator-Akzeptor-Prinzip
Folgende Beispiele veranschaulichen dir das Donator-Akzeptor-Prinzip. Doch davor wiederholen wir kurz die Elektronenverteilung in Molekülen.
Es gibt Moleküle, deren Elektronenhüllen nicht vollständig besetzt sind. Ihnen fehlen wenige Elektronen zur Vervollständigung ihres Edelgaszustandes. Ihr Ziel ist es, so viele Elektronen zu sammeln, bis sie den Edelgaszustand erreicht haben. Sie nehmen also gerne jederzeit Elektronen an und werden daher als Akzeptoren bezeichnet.
Auf der anderen Seite gibt es Moleküle, die ein freies Elektronenpaar besitzen und zu viele Elektronen für einen Edelgaszustand beinhalten. Um ihr Ziel zu erreichen, versuchen sie, dieses freie Elektronenpaar an ein anderes Molekül abzugeben. Sie spenden ihre Elektronen und werden aus diesem Grund Donatoren genannt.
Abbildung 1: Beispiel der Elektronenübertragung bei Magnesium und Chlor
Nähern sich nun ein Donator und ein Akzeptor aneinander an, so bilden sie eine kovalente Bindung – oder auch Elektronenpaarbindung genannt – aus.
Säure-Base-Reaktionen und das Donator-Akzeptor-Prinzip
In der Chemie kommt es häufig zu Reaktionen zwischen Säuren und Basen. Um besser zu verstehen, was dabei passiert, beziehungsweise, was Säure und Basen eigentlich sind, existieren mehrere Theorien. Dabei liegt allen Theorien das Donator-Akzeptor-Prinzip zugrunde.
Säure-Base-Theorie nach Lewis
Das Lewis-Säure-Base-Konzept des US-amerikanischen Chemikers Gilbert Newton Lewis beruht auf der Aufnahme und Abgabe von Elektronenpaaren und ist somit auch ein Donator-Akzeptor-Prinzip.
Säuren nach Lewis haben die Fähigkeit, sich Elektronenpaare anzueignen. Das bedeutet, sie sind Elektronenpaarakzeptoren.
Häufig sind solche Lewis-Säuren Moleküle, die die Edelgaskonfiguration nicht erreicht haben und somit die äußere Elektronenschale noch nicht vollständig besetzt ist. Ein Beispiel für eine Säure nach Lewis ist Aluminiumchlorid Al(Cl)3.
Basen nach Lewis sind Elektronenpaardonatoren. Sie können Elektronenpaare abgeben.
Grund hierfür ist meist, dass Lewis-Basen freie Elektronenpaare besitzen. Ein typisches Beispiel für eine Base nach Lewis ist Ammoniak.
Säure-Base-Theorie nach Brönsted
Des Weiteren gibt es noch das Brönsted-Säure-Base-Konzept, das ebenfalls auf dem Donator-Akzeptor-Prinzip basiert.
Hierbei stellen Brönsted-Säuren Donatoren von Protonen dar. Das heißt, Säuren nach Brönsted geben Protonen ab. Basen nach Brönsted sind hingegen Akzeptoren von Protonen. Sie können Protonen aufnehmen.
Somit kommt es bei einer Säure-Base-Reaktion nach Brönsted zu einem Protonenübergang.
Achtung: Bei Säure-Base-Reaktionen ändern sich die Oxidationszahlen nicht, im Gegensatz zu Redoxreaktionen, die im nachfolgenden Abschnitt näher beschrieben werden.
Das Brönsted-Säure-Base-Konzept und damit das Donator-Akzeptor-Prinzip kannst du zum Beispiel auch auf Wasser anwenden:
Kommt es zur Anlagerung eines Protons an Wasser, entsteht ein Oxonium-Ion (H3O+). Wasser wird hierbei als Akzeptor bzw. Brönsted-Base gesehen.
Wasser kann aber auch als Säure bzw. Donator in Reaktionen mit anderen Stoffen fungieren. Es gibt dann ein Proton ab und es entsteht Hydroxidion (OH-). Da Wasser sowohl Säure als auch Base sein kann, bezeichnet man es auch als Ampholyt.
Donator-Akzeptor-Prinzip – Redoxreaktion
Auch Redoxreaktionen basieren auf dem Donator-Akzeptor-Prinzip. Doch was sind Redoxreaktionen eigentlich?
Eine kleine Einführung in die Redoxreaktionen
Nimmt man die beiden Wortanfänge von Reduktion und Oxidation und fügt sie zu einem Wort zusammen, so erhält man das Wort Redoxreaktion. So wird verdeutlicht, dass die Reaktionstypen Reduktion und Oxidation immer zusammen ablaufen.
Ursprünglich ging die Forschung davon aus, dass eine Redoxreaktion immer unter Sauerstoffbeteiligung abläuft. Alle Redoxreaktionen wurden früher auch Sauerstoff-Übertragungs-Reaktionen genannt. So kam es auch zu dem Begriff der Oxidation.
Die damalige Annahme beinhaltete folgende Schlussfolgerungen:
- Bei einer Oxidation wird Sauerstoff aufgenommen und ein Oxid gebildet.
- Bei einer Reduktion wird Sauerstoff abgegeben und ein Oxid zerfällt.
Beispiel: Kupfer(II)-oxid + Wasserstoff 
Kupfer + Wasser (siehe Abbildung 1)
Auch wenn diese ursprüngliche Definition der Redoxreaktion nicht komplett falsch ist, ist sie doch etwas zu eng gefasst, sodass man heutzutage bei einer Redoxreaktion eher von der Übertragung von Elektronen ausgeht.
Abbildung 2: Skizze einer Redoxreaktion mit Sauerstoffbeteiligung
Was passiert eigentlich bei einer Redoxreaktion?
Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip übertragen. Sie wird daher auch Elektronenübertragungsreaktion genannt.
Gleichzeitig kommt es bei diesem Reaktionstyp auch zu einer Änderung der Oxidationszahl. Dies ist nämlich das charakteristische Merkmal einer Redoxreaktion.
- Bei einer Oxidation werden Elektronen abgegeben und die Oxidationszahl erhöht sich
- Bei einer Reduktion werden Elektronen aufgenommen und die Oxidationszahl reduziert sich
Die Oxidationszahl oder Oxidationsstufe gibt in der Chemie die hypothetische Ionenladung eines Moleküls (Atombindung) an. Die Oxidationszahl wird zur Beschreibung von Redoxreaktionen genutzt.
Die Teilnehmer einer Redoxreaktion
Die zwei wichtigen Komponenten einer Redoxreaktion sind das Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel:
Ein Oxidationsmittel oxidiert einen anderen Stoff und wird dabei selbst reduziert. Es nimmt also Elektronen auf und dient deswegen als Elektronen-Akzeptor.
Ein
Reduktionsmittel reduziert einen anderen Stoff und wird dabei selbst oxidiert. Es gibt also Elektronen ab und dient deswegen als Elektronen-Donator.
Elektronen werden bei solchen Reaktionen im Wesentlichen von einem Reduktionsmittel auf ein Oxidationsmittel abgegeben. Das Reduktionsmittel oxidiert dabei und das Oxidationsmittel selbst wird dabei reduziert. Das Donator-Akzeptor-Prinzip ist somit die Grundlage.
Ein Beispiel dafür ist die Verbrennung von Magnesium. Bei einer Verbrennung handelt es sich, vereinfacht dargestellt, um eine Reaktion mit Sauerstoff. Magnesium agiert hierbei als Donator und gibt zwei Elektronen an den Sauerstoff ab.
Abbildung 3: Redoxgleichung der Verbrennung von Magnesium
Donator-Akzeptor-Prinzip - Das Wichtigste
- Für das Donator-Akzeptor-Prinzip in der Chemie braucht es mindestens zwei Reaktionsteilnehmer.
- Ein Donator spendet ein Teilchen an einen Akzeptor. Dieser nimmt das Teilchen vom Donator an.
- Man unterscheidet bei Säuren und Basen die Theorien nach Lewis bzw. Brönsted. Während bei Lewis Elektronenpaare ausgetauscht werden, bezieht sich Brönsted nur auf den Austausch der Protonen (H+-Ionen).
- Lewis-Säuren sind Elektronenpaarakzeptoren und Basen sind Elektronenpaardonatoren.
- Brönsted-Säuren sind Donatoren von Protonen und Brönsted-Basen stellen Akzeptoren von Protonen dar.
- Auch für Redoxreaktionen gilt das Donator-Akzeptor-Prinzip. Ein Reduktionsmittel gibt hier Elektronen an ein Oxidationsmittel ab.
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