Hast Du schon mal einen Film gesehen oder ein Buch gelesen, in dem jemand in einer Badewanne durch einen elektrischen Schock zu Schaden kam? Der Grund dafür ist, dass Wasser wegen seiner ionischen Mineralstoffe, wie Calcium und Hydrogencarbonat, elektrischen Strom leitet.
Doch wie ist das mit reinem destillierten Wasser, das keine Mineralstoffe enthält? Wie die Protolyse Definition der Chemie, die Protolyse bei Schwefelsäure und die Protolyse Reaktion genau lauten, erfährst Du in diesem StudySmarter Original.
Protolyse Chemie
Bei der Protolyse wird von einem Molekül ein Proton (H+) an ein anderes Molekül abgegeben. Sie wird deshalb auch als Protonenaustauschreaktion bezeichnet.
Protolyse Definition
Laut dem Donator-Akzeptor-Prinzip wird das protonenabgebende Molekül wird in der Chemie auch als Protonendonator bezeichnet. Das protonenaufnehmende Molekül wird in der Chemie Protonenakzeptor genannt.
Nach der Brönsted Säure-Base-Theorie sind genau solche Moleküle die Säuren (Protonendonator) und Basen (Protonenakzeptor). Da ein Proton nur in der Umgebung einer Base abgegeben werden kann, tritt die Protolyse auch nur zwischen Säure-Base-Paaren auf. Die Protolyse ist eine umkehrbare Reaktion, es stehen also immer zwei Säure-Base-Paare in einem chemischen Gleichgewicht zueinander.
Wenn Du mehr zu den Themen chemisches Gleichgewicht und Brönsted Säure-Base-Theorie lesen willst, schau Dir unbedingt die Erklärungen dazu an.
Jede Säure hat auf der anderen Seite des Gleichgewichts eine sogenannte konjugierte Base. Das Gleiche gilt für die Base auf der linken Seite der chemischen Reaktion. So hast Du bei Säure-Base-Reaktionen immer zwei Säure-Base-Paare.
Die Lage dieses chemischen Gleichgewichts wird bestimmt durch die Stärke der beteiligten Säuren und Basen. Ein Maß dafür sind die pKS- und pKB-Werte, die über das Massenwirkungsgesetz (MWG) definiert und auf ein chemisches Gleichgewicht angewendet werden. Weiter unten erfährst Du mehr zum MWG.
Protolyse in wässrigen Lösungen
Nach der Brönsted Säure-Base-Theorie sind die Begriffe Säure und Base keine festen Stoffklassen. Das siehst Du besonders an Molekülen, die je nach Reaktionspartner als Säure oder Base reagieren. Solche Moleküle werden in der Chemie Ampholyte genannt.
Wird Salzsäure (HCl) in Wasser (H₂O) gelöst, dann werden bei der Protolyse die Protonen von der Salzsäure an das Wasser abgegeben. Dabei entstehen die konjugierte Base, ein Chloridion (Cl-), und die konjugierte Säure (H3O+), ein Oxoniumion. In diesem Fall reagiert das Wasser also als Base, in dem es das Proton aufnimmt.
$$HCl + H_2O \rightarrow Cl^- + H_3O^+$$
Das HCl hat ein starkes Verlangen, möglichst viele Protonen abzugeben, weshalb das Wasser als Base reagiert und diese aufnimmt. So werden in wässriger Lösung viele H3O+-Ionen gebildet. Diese sind für das saure Verhalten der Lösung verantwortlich.
Wie sauer eine Lösung ist, also wie hoch die Konzentration an H3O+-Ionen ist, kannst Du anhand des pH-Werts bestimmen. Dieser wird für starke Säuren über den negativen dekadischen Logarithmus der Oxonium-Ionen-Konzentration berechnet:
$$pH = -log(c_{H_3O^+})$$
Je stärker eine Säure ist, also je eher sie Protonen abgibt, desto schwächer kann die konjugierte Base sein. Umgekehrt gilt das Gleiche für schwache Säuren. Wenn Du mehr zum pH-Wert lesen willst, sieh Dir gern die entsprechende Erklärung dazu an.
Umgekehrt reagiert das Wasser als Säure, wenn es mit einer stärkeren Base, wie beispielsweise Ammoniak (NH3) gemischt wird. Da Ammoniak die stärkere Base ist, gibt das Wasser ein Proton an die Base ab. Es entstehen das Ammonium-Ion (NH4+) und das Hydroxid-Ion (OH-).
$$NH_3 + H_2O \rightarrow NH_4^+ + OH^-$$
Autoprotolyse des Wassers
In reinem destilliertem Wasser existiert auch ein Protolysegleichgewicht. Auf dieses kannst Du ebenfalls das MWG anwenden. Die Protolyse läuft aber nur in geringem Maße ab. Deshalb bleibt die Konzentration an H₂O-Molekülen konstant bei 55,55 \(\frac{mol}{l}\).
$$ 2\,H_2O \Longleftrightarrow OH^- + H_3O^+$$
Da in geringem Maße aber dennoch Ionen entstehen (H3O+ und OH-), leitet destilliertes Wasser auch in geringem Maße elektrischen Strom. In normalem Wasser ist durch die hohe Konzentration an weiteren Ionen, die Stromleitung besser.
So kommst Du über das Massenwirkungsgesetz zum Ionenprodukt des Wassers (KW), welches bei 25 °C konstant ist. Für reines Wasser ist das Produkt von Konzentration an Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen also immer konstant und lässt sich wie folgt aufstellen:
$$K = \frac{c_{H_3O^+} \cdot c_{OH^-}}{c_{H_2O}^2}$$
$$\Longleftrightarrow K \cdot c_{H_2O}^2 = c_{H_3O^+} \cdot c_{OH^-} = K_W$$
$$K_W (25\,°C) = 10^{-14} \frac{mol^2}{l^2}\, \vert \, log$$
$$pK_W = pH + pOH = 14$$
Auch andere Stoffe, wie Ammoniak oder Ionen wie Hydrogensulfat (HSO4-) reagieren untereinander wie Ampholyte.
$$2\,NH_3 \Longleftrightarrow NH_2^- + NH_4^+$$
$$2\,HSO_4^- \Longleftrightarrow SO_4^{2-} + H_2SO_4$$
Protolyse Reaktion
Zum Abschluss dieser Erklärung siehst Du jetzt noch ein paar Beispielreaktionen, an denen die Protolyse verdeutlicht wird. Dabei werden unterschiedliche Formen der Protolyse, die einstufige und die mehrstufige Protolyse, behandelt.
Protolyse Essigsäure
Gibst Du Essigsäure (CH3COOH) in Wasser, gibt die Säure eines ihrer Protonen ab. Dieses wird vom Wasser aufgenommen. Die folgende Reaktionsgleichung beschreibt diese einstufige Protolyse:
$$CH_3COOH + H_2O \rightarrow CH_3COO^- + H_3O^+$$
Protolyse Schwefelsäure
Bei einer mehrprotonigen Säure wie Schwefelsäure (H2SO4) können mehrere Protonen in Deprotonierungsstufen abgegeben werden. In der ersten Deprotonierungsstufe reagiert die Schwefelsäure schnell mit Wasser zu Hydrogensulfat (HSO4-) und einem Oxoniumion (H3O+):
$$H_2SO_4 + H_2O \rightarrow HSO_4^- + H_3O^+$$
Das entstandene Hydrogensulfat ist ebenso wie Wasser ein Ampholyt, kann also sowohl ein weiteres Proton abgeben oder eins wieder aufnehmen. In der zweiten Deprotonierungsstufe, die deutlich langsamer abläuft als die erste, gibt das Hydrogensulfat ein weiteres Proton an ein Wasser-Molekül ab. Der Grund dafür liegt darin, dass das Hydrogensulfat eine schwächere Säure ist, als die Schwefelsäure.
$$HSO_4^- + H_2O \rightarrow SO_4^{2-} + H_3O^+$$
Die gebildete konjugierte Base ist hier das Sulfation (SO42-).
Protolyse – Das Wichtigste
- Protolyse Chemie: Bei einer Protolyse geht ein Proton von einer Säure (Protonendonator) zu einer Base (Protonenakzeptor) über.
- Protolyse Definition: Protonendonatoren geben Protonen ab und Protonenakzeptoren nehmen sie auf.
- Protolyse Reaktion: Protolysereaktionen sind umkehrbar und stehen deshalb ständig im chemischen Gleichgewicht miteinander
- Autoprotolyse: Es gibt Stoffe, die je nach Reaktionspartner als Säure oder Base reagieren. Ein Beispiel hierfür sind Wasser und Ammoniak. Diese Art von Moleküle heißen in der Chemie auch Ampholyte.
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