1 · In welchem Verhältnis reagieren H₃O⁺ und OH⁻?
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Im Stoffmengenverhältnis 1 : 1. Dabei entstehen zwei Wassermoleküle pro umgesetztem Ionenpaar.
Chemie · Grundlagen · Sekundarstufe I
Neutralisation
Was passiert, wenn eine saure Lösung mit einer Lauge reagiert? Verfolge die Ionenbilanz, berechne die passenden Stoffmengen und erkenne, wann die Mischung wirklich neutral wird.
H3O⁺ + OH⁻ → 2 H2O
Ein Oxoniumion reagiert mit einem Hydroxidion.
Sauer und basisch: Die Teilchen reagieren miteinander
Eine saure wässrige Lösung enthält mehr Oxoniumionen H₃O⁺ als Hydroxidionen OH⁻. In einer Lauge ist es umgekehrt. Beim Zusammengeben können Oxonium- und Hydroxidionen miteinander reagieren. Ein Proton wird übertragen und es entstehen Wassermoleküle.
Diese Reaktion ist der Kern der Neutralisation einer starken Säure mit einer Hydroxidlauge. Sie ist eine Säure-Base-Reaktion, keine bloße Verdünnung: Die reagierenden Ionen werden umgesetzt. Die Atome und die elektrische Gesamtladung bleiben erhalten.
Der Name kann täuschen: Nicht jede beliebige Mischung aus Säure und Lauge ist am Ende neutral. Wenn ein Reaktionspartner im Überschuss vorliegt, bestimmt dieser das saure oder basische Verhalten. Auch die Art der Säure und Base spielt eine Rolle.
Vergleichen und entdecken
Noch keine Lauge zugegeben. Die Lösung enthält einen deutlichen Überschuss an Oxoniumionen. Die dargestellten Mengen beziehen sich auf die betrachtete Reaktion; Wasser und Gegenionen sind nicht vollständig abgebildet.
Warum entstehen zwei Wassermoleküle?
H3O⁺ + OH⁻ → 2 H2O
Das Oxoniumion H₃O⁺ gibt ein Proton an das Hydroxidion OH⁻ ab. Aus H₃O⁺ wird H₂O; aus OH⁻ wird durch Aufnahme des Protons ebenfalls H₂O. Darum stehen rechts zwei Wassermoleküle.
Kontrolle: Links sind insgesamt vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome vorhanden, rechts ebenso. Die Ladungen +1 und −1 ergeben links null. Rechts sind beide Wassermoleküle ungeladen.
Aus der Gleichung folgt das Mengenverhältnis 1 : 1. Ein Mol H₃O⁺ reagiert mit einem Mol OH⁻. Deshalb vergleichen wir zuerst Stoffmengen, nicht einfach Flüssigkeitsvolumina.
Was wird aus Natrium und Chlorid?
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Diese vereinfachte Stoffgleichung beschreibt Salzsäure und Natronlauge. In den wässrigen Lösungen liegen jedoch Ionen vor: unter anderem H₃O⁺, Cl⁻, Na⁺ und OH⁻. Die Natrium- und Chloridionen werden bei der zentralen Protonenübertragung nicht verbraucht.
Nach passender Umsetzung erhält man eine Natriumchloridlösung. Es entstehen nicht automatisch sichtbare Salzkristalle: Die Ionen bleiben zunächst im Wasser gelöst. Kristalle wären erst bei geeigneter weiterer Aufarbeitung zu erhalten.
Na⁺ und Cl⁻ heißen hier Zuschauerionen. Sie werden in der gekürzten Ionengleichung weggelassen, sind in der realen Lösung aber weiterhin vorhanden. Deshalb kann auch eine neutralisierte Lösung elektrischen Strom leiten.
Beispiel: Wie viel Natronlauge wird benötigt?
Gegeben sind 20,0 mL Salzsäure mit c(HCl) = 0,100 mol/L. Die Natronlauge besitzt c(NaOH) = 0,200 mol/L. Gesucht ist das passende Laugenvolumen. Wir betrachten verdünnte Lösungen und vollständige Umsetzung.
1. Stoffmenge der Säure berechnen: 20,0 mL = 0,0200 L. Mit n = c · V folgt:
n(HCl) = 0,100 mol·L⁻¹ · 0,0200 L = 0,00200 mol
2. Reaktionsverhältnis verwenden: HCl und NaOH reagieren im Verhältnis 1 : 1. Benötigt werden deshalb ebenfalls 0,00200 mol NaOH.
3. Laugenvolumen berechnen:
V(NaOH) = 0,00200 mol0,200 mol·L⁻¹ = 0,0100 L = 10,0 mL
4. Plausibilität: Die Lauge ist doppelt so konzentriert wie die Säure. Deshalb genügt hier das halbe Volumen. Gleiche Volumina wären bei diesen Konzentrationen falsch.
Zu wenig oder zu viel Lauge: erst die Bilanz
Gibst du im Beispiel nur 5,0 mL Natronlauge zu, sind das 0,0010 mol OH⁻. Von den ursprünglich ungefähr 0,0020 mol H₃O⁺ bleibt ein Überschuss von 0,0010 mol. Die Mischung ist noch sauer.
Bei 15,0 mL Natronlauge werden 0,0030 mol OH⁻ zugegeben. Nach der Reaktion mit 0,0020 mol H₃O⁺ bleibt 0,0010 mol OH⁻ im Überschuss. Die Mischung ist basisch.
Für einen anschließenden pH-Wert teilst du den Überschuss durch das gesamte Mischungsvolumen. Unter der üblichen Annahme additiver Volumina ergeben sich beim zweiten Fall 0,0010 mol geteilt durch 0,0350 L, also ungefähr 0,0286 mol/L OH⁻. Das ursprüngliche Laugenvolumen allein wäre der falsche Nenner.
Nicht jede Säure reagiert im Verhältnis eins zu eins
H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O
Bei vollständiger Neutralisation liefert Schwefelsäure insgesamt zwei Protonenäquivalente pro Molekül. Deshalb benötigt ein Mol H₂SO₄ zwei Mol NaOH. Zweiwertige Hydroxide können entsprechend zwei Hydroxidionen pro Formeleinheit liefern.
Die sichere Reihenfolge lautet: Reaktionsgleichung ausgleichen, Stoffmenge bestimmen, Koeffizientenverhältnis anwenden. Die Kurzform c₁V₁ = c₂V₂ gilt unmittelbar nur bei einem Verhältnis 1 : 1. Mehrprotonige Säuren können außerdem stufenweise reagieren.
Äquivalenzpunkt ist nicht immer pH sieben
Am Äquivalenzpunkt wurden Säure und Base im stöchiometrisch passenden Verhältnis umgesetzt. Bei verdünnter Salzsäure und Natronlauge ist die Lösung dort bei 25 °C näherungsweise neutral.
Bei einer schwachen Säure wie Essigsäure und einer starken Base kann die Lösung am Äquivalenzpunkt basisch sein: Die entstandenen Acetationen reagieren ihrerseits mit Wasser. „Passend umgesetzt“ und „pH 7“ sind deshalb keine allgemeinen Synonyme.
Auch im neutralen Wasser existieren geringe Mengen H₃O⁺ und OH⁻. In unserer Bilanz bedeutet „0 mmol übrig“ lediglich, dass kein berechneter Überschuss aus der Zugabe verbleibt.
Bei der Reaktion wird Wärme frei
Die Neutralisation verdünnter starker Säuren mit starken Laugen ist exotherm. Die Energie wird unter anderem als Wärme an die Umgebung abgegeben. Wie stark die Temperatur steigt, hängt von den Mengen, Konzentrationen und Wärmeverlusten ab.
Das ist kein Aufruf, Haushaltsreiniger zu mischen. Praktische Versuche erfolgen mit freigegebenen Lösungen, Schutzbrille und Anleitung im Unterricht. Die digitale Darstellung eignet sich zum Vorhersagen und Erklären der Mengenverhältnisse.
Unterrichtsimpuls: Vor dem Klick vorhersagen
Beginne mit 2 mmol Oxonium und lasse vor jeder Zugabe vorhersagen: Was reagiert, was bleibt übrig, und wie ist die Mischung einzuordnen? Frage beim mittleren Fall zusätzlich, ob die Lösung nun ionenfrei ist. So werden Stoffmengenbilanz, pH und elektrische Leitfähigkeit auseinandergehalten.
Sechs Aufgaben zum Selbstcheck
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
2 · 2 mmol H₃O⁺ treffen auf 3 mmol OH⁻. Was bleibt übrig?
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1 mmol OH⁻ bleibt im stöchiometrischen Überschuss. Die Mischung ist basisch.
3 · Warum entstehen nach Salzsäure und Natronlauge nicht automatisch Kristalle?
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Na⁺ und Cl⁻ bleiben zunächst in Wasser gelöst.
4 · 20 mL HCl mit 0,10 mol/L: Wie viel NaOH mit 0,20 mol/L wird gebraucht?
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10 mL. Die benötigte NaOH-Stoffmenge beträgt 0,002 mol.
5 · Wie viel NaOH benötigt 1 mol H₂SO₄ zur vollständigen Neutralisation?
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2 mol NaOH gemäß dem Verhältnis 1 : 2.
6 · Ist jeder Äquivalenzpunkt bei pH 7?
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Nein. Das gilt näherungsweise für starke Säure und starke Base bei 25 °C; schwache Reaktionspartner können andere Werte ergeben.
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