Grundlagen der Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie erklärt

In diesem Artikel lernst du die Grundlagen der Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie kennen. Stell dir vor, chemische Reaktionen sind wie ein Spiel, bei dem sich Moleküle gegenseitig Bälle zuwerfen. In der Säure-Base-Chemie gibt es genau einen Ball, um den sich alles dreht: das kleine Wasserstoff-Ion ($\text{H}^+$), auch Proton genannt.

Früher dachte man, Säuren und Basen seien einfach bestimmte Stoffe, die ätzend wirken. Die Chemiker Johannes Nicolaus Brønsted und Thomas Martin Lowry haben jedoch herausgefunden, dass es vielmehr um das Verhalten der Teilchen geht. In dieser Lektion lernst du, wie Moleküle durch das Werfen und Fangen von Protonen zu Säuren und Basen werden und wie du diese Vorgänge in chemischen Gleichungen ganz einfach entschlüsseln kannst.

Vorwissen

• Das Proton ($\text{H}^+$): Ein Wasserstoffatom besteht normalerweise aus einem Proton und einem Elektron. Verliert es sein Elektron, bleibt nur das positiv geladene Proton ($\text{H}^+$) übrig.

  Beispiel: Wenn Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) in Wasser reagiert, kann sich das $\text{H}$ als $\text{H}^+$ abspalten.

• Freies Elektronenpaar: Zwei Elektronen in der äußersten Schale eines Atoms, die nicht an einer Bindung beteiligt sind. Sie wirken wie ein "Magnet" für positive Teilchen.

  Beispiel: Im Ammoniak-Molekül ($\text{NH}_3$) hat das Stickstoffatom ein freies Elektronenpaar, an das sich andere Teilchen andocken können.

• Chemisches Gleichgewicht ($\rightleftharpoons$): Viele Reaktionen laufen nicht nur in eine Richtung ab, sondern auch rückwärts.

  Beispiel: Aus den Produkten können wieder die Ausgangsstoffe entstehen.

Aufgabentyp 1: Definition von Brønsted-Säuren, Basen und Protolyse

Um die Grundlagen der Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie richtig anzuwenden, müssen wir uns die Rollen der Teilchen genau ansehen. Nach der Theorie von Brønsted und Lowry sind Säuren und Basen keine festen Stoffklassen, sondern sie beschreiben, welche Aufgabe ein Teilchen in einer Reaktion übernimmt.

• Brønsted-Säure (Der Werfer): Ein Teilchen, das ein Proton ($\text{H}^+$) abgibt. Man nennt es Protonendonator (von lateinisch donare = geben). Damit ein Teilchen eine Säure sein kann, muss es logischerweise mindestens ein Wasserstoffatom besitzen, das es abspalten kann.

• Brønsted-Base (Der Fänger): Ein Teilchen, das ein Proton ($\text{H}^+$) aufnimmt. Man nennt es Protonenakzeptor (von lateinisch acceptare = annehmen). Damit ein Teilchen ein positives Proton fangen und festhalten kann, muss es mindestens ein freies Elektronenpaar besitzen.

Ein Proton ($\text{H}^+$) ist extrem reaktionsfreudig. Es kann in einer wässrigen Lösung niemals alleine herumschwimmen! Es muss in dem Moment, in dem es von der Säure losgelassen wird, sofort von einer Base aufgefangen werden. Diesen direkten Übergang eines Protons von einer Säure auf eine Base nennt man Protolyse.

Wichtige Stolpersteine in der Chemie:

Oft verwenden wir im Alltag Begriffe, die chemisch nicht ganz exakt sind:

1. "Salzsäure" ist selbst keine Säure: Wenn du eine Flasche Salzsäure im Labor siehst, ist das eigentlich nur Wasser, in dem das Gas Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) gelöst wurde. Das $\text{HCl}$-Gas hat sein Proton bereits an das Wasser abgegeben. Die eigentliche Säure (der Protonendonator) in dieser Lösung ist das entstandene $\text{H}_3\text{O}^+$-Ion (Hydronium-Ion).

2. Feste Metallhydroxide sind keine Basen: Ein festes Plätzchen Natriumhydroxid ($\text{NaOH}$) ist nach Brønsted keine Base. Erst wenn es sich in Wasser löst, zerfällt es in $\text{Na}^+$-Ionen und $\text{OH}^-$-Ionen. Nur das $\text{OH}^-$-Ion (Hydroxid-Ion) hat die freien Elektronenpaare, um ein Proton zu fangen. Das $\text{OH}^-$-Ion ist also die eigentliche Base!

Aufgabentyp 2: Identifizieren korrespondierender Säure-Base-Paare

Ein zentraler Bestandteil der Grundlagen der Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie ist das Erkennen von Paaren. Da Protolysen oft chemische Gleichgewichte sind (gekennzeichnet durch den Doppelpfeil $\rightleftharpoons$), können sie auch rückwärts ablaufen. Das bedeutet: Wenn eine Säure ihr Proton weggeworfen hat, wird der Rest des Moleküls plötzlich zu einem Teilchen, das wieder ein Proton fangen könnte – es wird also zu einer Base!

Deshalb treten Säuren und Basen immer in Paaren auf. Ein korrespondierendes (oder konjugiertes) Säure-Base-Paar besteht immer aus genau zwei Teilchen, die sich durch exakt ein einziges Proton ($\text{H}^+$) voneinander unterscheiden.

In jeder Säure-Base-Reaktion gibt es immer genau zwei solcher Paare. Das allgemeine Schema sieht so aus:

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Säure 1}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{Base 2}} \rightleftharpoons \textcolor{#08BFFF}{\text{Base 1}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{Säure 2}}$

• Paar 1: $\textcolor{#08BFFF}{\text{Säure 1}}$ und $\textcolor{#08BFFF}{\text{Base 1}}$ gehören zusammen.

• Paar 2: $\textcolor{#53E5D6}{\text{Base 2}}$ und $\textcolor{#53E5D6}{\text{Säure 2}}$ gehören zusammen.

Schauen wir uns das an einem Beispiel an: Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) reagiert mit Ammoniak ($\text{NH}_3$).

$\textcolor{#08BFFF}{\text{HCl}} + \textcolor{#53E5D6}{\text{NH}_3} \rightleftharpoons \textcolor{#08BFFF}{\text{Cl}^-} + \textcolor{#53E5D6}{\text{NH}_4^+}$

• $\textcolor{#08BFFF}{\text{HCl}}$ gibt ein Proton ab und wird zu $\textcolor{#08BFFF}{\text{Cl}^-}$. Sie unterscheiden sich nur um ein $\text{H}^+$. Das ist das Paar 1.

• $\textcolor{#53E5D6}{\text{NH}_3}$ nimmt dieses Proton auf und wird zu $\textcolor{#53E5D6}{\text{NH}_4^+}$. Auch sie unterscheiden sich nur um ein $\text{H}^+$. Das ist das Paar 2.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung die korrespondierenden Säure-Base-Paare einer Reaktionsgleichung bestimmen sollst, gehe immer nach diesem Plan vor:

1. Ähnliche Teilchen suchen: Suche auf der linken und der rechten Seite des Reaktionspfeils nach den zwei Teilchen, die fast gleich aussehen. Sie dürfen sich nur durch ein einziges $\text{H}$ (und die Ladung) unterscheiden. Verbinde sie gedanklich.
2. Säure und Base innerhalb des Paares bestimmen: Vergleiche die beiden Teilchen eines Paares: Das Teilchen mit einem $\text{H}$ mehr ist immer die Säure. Das Teilchen mit einem $\text{H}$ weniger ist immer die Base.
3. Paare durchnummerieren: Beschrifte das erste gefundene Paar mit "Säure 1" und "Base 1". Beschrifte das zweite Paar mit "Säure 2" und "Base 2". Die Reihenfolge ist dabei egal.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Säuren sind Protonendonatoren (geben $\text{H}^+$ ab).
• Basen sind Protonenakzeptoren (nehmen $\text{H}^+$ auf und benötigen dafür ein freies Elektronenpaar).
• Protolyse ist der direkte Übergang eines Protons von einer Säure auf eine Base.
• Ein korrespondierendes Säure-Base-Paar besteht aus zwei Teilchen, die sich durch exakt ein Proton ($\text{H}^+$) unterscheiden.