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Protolyse

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.

Nachweise

  1. Riedel, Janiak (2015). Anorganische Chemie. DeGruyter

Häufig gestellte Fragen zum Thema Protolyse

Eine Protolyse läuft dann ab, wenn ein Protonendonator und ein Protonenakzeptor in Kontakt kommen und Protonen übertragen werden. 

Bei einem Protonenübergang wird ein Proton (H+) von einer Säure auf eine Base übertragen. Die Säure gibt das Proton ab und die Base nimmt dieses auf. 

Bei der Protolyse wird ein Proton (H+) von einer Säure auf eine Base übertragen. 

Bei der Dissoziation zerfällt ein Molekül in mehrere Teile. Bei der Protolyse ist das die Abspaltung eines Protons von einer Säure. Dieses Proton wird dann von einer Base in der Umgebung aufgenommen. 

Finales Protolyse Quiz

Frage

Die Protolyse ist eine ....

Antwort anzeigen

Antwort

Protonenaustauschreaktion

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter einer Protolyse?

Antwort anzeigen

Antwort

Die chemische Reaktion, bei der ein Proton H+-Ion zwischen zwei Reaktionspartnern übertragen wird, bezeichnet man als Protolyse. Die Protolyse meint nicht die Abspaltung von Protonen.

Frage anzeigen

Frage

Fülle die Lücken.


Hinsichtlich der 1) ................. Säure-Base-Theorie ist die Protolyse ein entscheidender Vorgang, so überträgt eine Säure ein 2) .......................... an einen Reaktionspartner. Die Säure wirkt als 3) ........................... Die Protonen werden von der Base aufgenommen. Die Base wirkt als 4) .................................. Es stellt sich zwischen den Reaktionspartnern ein chemisches 5) .................................... ein. 

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Antwort

1) Brønsted'schen 

2) Proton 

3) Protonendonator 

4) Protonenakzeptor 

5) Gleichgewicht 

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Frage

Der ... ist nach der Säuren-Basen-Theorie von Brønsted der Reaktionspartner, der das Proton .... 

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Antwort

(1) Protonendonator

(2) abgibt.

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Frage

Was ist ein Protonendonator?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Reaktionspartner, der das Proton abgibt, ist der Protonendonator. Laut der Säuren-Basen-Chemie nach Brønsted sind das die Säuren.

Frage anzeigen

Frage

Was solltest du dir in Bezug auf Protonenakzeptoren und -donatoren merken?

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Antwort

Eine Säure gibt Protonen ab.

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Frage

Stelle die Reaktionsgleichung der Protolyse von Chlorwasserstoff in Wasser auf. Erkläre diese zudem genauer.

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Antwort


Das Molekül HCl und das Ion  sind in dieser Gleichgewichtsreaktion die Protonendonatoren. Nach Brønsted also Säuren. Das Molekül und das Ion sind in dieser Gleichgewichtsreaktion die Protonenakzeptoren. Nach Brønsted also Basen.

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Frage

Stelle die Reaktionsgleichung der Protolyse von Wasser mit Ammoniak auf. Erkläre diese zudem genauer.

Antwort anzeigen

Antwort



Wenn das Gas Ammoniak in Wasser eingeleitet wird, bilden sich Ammonium-Ionen  und Hydroxid-Ionen .  und  sind Protonendonatoren.  und  sind Protonenakzeptoren.

Frage anzeigen

Frage

Stelle die Reaktionsgleichung der Protolyse von Wasser mit Schwefelsäure auf. Erkläre diese zudem genauer. Was ist dabei besonders?

Antwort anzeigen

Antwort


Hier liegen zwei Protolysestufen vor:


Zuerst wird ein Wassermolekül von der Schwefelsäure protoniert. Anschließend wird auch das zweite Wassermolekül von der 1. Protolysestufe der Schwefelsäure protoniert. Diese liegt dann in der 2. Protolysestufe vor. 

Schwefelsäure und dessen erste Protolysestufe sind die Protonendonatoren. Wasser dient als Protonenakzeptor.

Frage anzeigen

Frage

Die Reaktionsgleichung der Autoprotolyse von Wasser lautet:

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Antwort


Frage anzeigen

Frage

Erkläre das Prinzip der Autoprotolyse genauer. Was haben Ampholyte damit zu tun?

Antwort anzeigen

Antwort

Reines Wasser zeigt eine geringe elektrische Leitfähigkeit, als das aus dem Wasserhahn. Diese Beobachtung lässt sich mit der Autoprotolyse des Wassers erklären. Es entstehen Oxoniumionen (H3O+) und Hydroxidionen (OH-). H₂O kann also sowohl als Protonendonator als auch als Protonenakzeptor reagieren. Solche Moleküle heißen in der Chemie Ampholyte. In der chemischen Reaktion reagieren zwei Wassermoleküle zu jeweils einem Oxoniumion und einem Hydroxidion. Die Gleichgewichtsreaktion liegt allerdings stark auf der Eduktseite, heißt, die Konzentration an Ionen ist gering. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, anhand einer Reaktionsgleichung, die Protolyse einer nichtwässrigen Lösung.

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Antwort


In Brønstedschen Säure-Base-Reaktionen können neben Wasser auch polare Lösungsmittel als Reaktionspartner dienen. Ein gutes Beispiel ist die Autoprotolyse des flüssigen Ammoniaks. Es bilden sich die Ionen Ammonium und Amid

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Protonenakzeptor?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Reaktionspartner, der das Proton aufnimmt, ist der Protonenakzeptor. Laut der Säuren-Basen-Chemie nach Brønsted sind das die Basen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein anderes Wort für die Protolyse

Antwort anzeigen

Antwort

Protonenaustauschreaktion

Frage anzeigen

Frage

Welche analytische Größe lässt sich über die Autoprotolyse des Wassers ermitteln?

Antwort anzeigen

Antwort

Ionenprodukt

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Frage

Eine chemische Verbindung, die sowohl Protonen aufnehmen, als auch abgeben kann, heißt in der Chemie...

Antwort anzeigen

Antwort

Ampholyt

Frage anzeigen

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