Säuren und Basen

Der gemeinsame Kern: Ein Proton wechselt den Partner

Zitronensaft enthält Säuren, eine Seifenlösung reagiert meist basisch. Solche Alltagsbeispiele helfen beim Einstieg. Die chemische Erklärung fragt aber genauer: Welche Teilchen reagieren miteinander, und was wird übertragen? Chemikalien werden niemals durch Schmecken geprüft.

Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator: Sie kann ein Proton H⁺ abgeben. Eine Base ist ein Protonenakzeptor: Sie kann ein Proton aufnehmen. Donator bedeutet Geber, Akzeptor bedeutet Empfänger. Eine solche Übertragung heißt Protolyse.

H⁺ ist das Wasserstoffion. Beim häufigsten Wasserstoffisotop besteht es aus einem Proton. Es wird kein neutrales Wasserstoffatom mit seinem Elektron übertragen. In einer wässrigen Lösung liegt H⁺ nicht als frei herumliegendes, ungebundenes Proton vor; wir schreiben für das hydratisierte Proton vereinfachend H₃O⁺, das Oxoniumion.

Schritt für Schritt: Chlorwasserstoff in Wasser

1. Vorher und nachher vergleichen: Aus HCl wird Cl⁻. Das Teilchen hat ein H⁺ abgegeben. HCl ist deshalb in dieser Reaktion die Säure.

2. Den Empfänger suchen: Aus H₂O wird H₃O⁺. Wasser hat ein H⁺ aufgenommen und ist hier die Base. Es entstehen Oxoniumionen, die das saure Verhalten der Lösung erklären.

3. Die Bilanz prüfen: Auf beiden Seiten stehen insgesamt drei Wasserstoffatome, ein Sauerstoffatom und ein Chloratom. Links ist die Gesamtladung null; rechts heben sich +1 und −1 auf.

Chlorwasserstoff HCl ist ein Stoff; seine wässrige Lösung heißt Salzsäure. Der Pfeil nach rechts beschreibt die in verdünntem Wasser praktisch vollständige Protonenübertragung. Eine saure Lösung ist nicht einfach eine Ansammlung unveränderter HCl-Moleküle.

Säure und zugehörige Base gehören zusammen

Wenn eine Säure H⁺ abgibt, bleibt ihre zugehörige oder konjugierte Base zurück. Diese kann das Proton wieder aufnehmen. Umgekehrt entsteht aus einer Base durch Protonenaufnahme ihre zugehörige Säure.

Ein Säure-Base-Paar unterscheidet sich genau um ein H⁺. Beispiele sind HCl/Cl⁻, H₃O⁺/H₂O und NH₄⁺/NH₃. Die Säure steht in dieser Schreibweise jeweils zuerst. Bei der Protonenabgabe wird die Ladung um eins negativer: Aus NH₄⁺ wird das neutrale NH₃.

Achtung: HCl und H₂O sind im ersten Beispiel die miteinander reagierenden Partner, aber kein konjugiertes Paar. HCl/Cl⁻ ist ein Paar; H₃O⁺/H₂O ist das andere. Suche zum Zuordnen immer dasselbe Teilchengerüst mit genau einem H⁺ Unterschied.

Wasser kann beide Rollen übernehmen

Ammoniak NH₃ nimmt von einem Wassermolekül ein Proton auf. Es wird zum Ammoniumion NH₄⁺. Das Wasser gibt dieses Proton ab und wird zum Hydroxidion OH⁻. Hier ist also NH₃ die Base und H₂O die Säure.

Der Gleichgewichtspfeil bedeutet, dass Hin- und Rückreaktion möglich sind. Ammoniak reagiert mit Wasser nur teilweise. Die gebildeten Hydroxidionen machen die Lösung basisch. Eine Base muss daher nicht bereits OH⁻ in ihrer Formel enthalten.

Wasser kann Protonen aufnehmen oder abgeben. Ein solches Teilchen nennt man Ampholyt. Seine Rolle ergibt sich aus der betrachteten Reaktion. „Wasser ist immer nur neutral und reagiert nicht“ wäre deshalb falsch: Neutral beschreibt eine Eigenschaft einer Lösung, nicht das Fehlen aller Säure-Base-Reaktionen.

Base, Lauge und Säurestärke unterscheiden

Eine Lauge ist eine basische wässrige Lösung. Löst sich Natriumhydroxid in Wasser, liegen Na⁺ und OH⁻ vor. Das Hydroxidion ist eine Brønsted-Base, weil es H⁺ aufnehmen kann. Natronlauge enthält also Teilchen, die als Protonenempfänger reagieren können.

Stark oder schwach beschreibt, wie weit eine Säure oder Base mit Wasser reagiert. Salzsäure gehört zu den starken Säuren in Wasser, Essigsäure zu den schwachen. Konzentriert oder verdünnt beschreibt dagegen die vorhandene Stoffmenge pro Lösungsvolumen. Eine starke Säure kann stark verdünnt sein.

Auch nicht jedes H in einer Formel lässt sich unter den betrachteten Bedingungen einfach als H⁺ abspalten. Bei Essigsäure CH₃COOH wird in der üblichen Protolyse das Proton der Carboxylgruppe abgegeben; man streicht nicht beliebig eines der vier H-Atome.

Ein erster Blick auf die Neutralisation

Oxonium überträgt ein Proton auf Hydroxid. Es entstehen zwei Wassermoleküle. Bei Salzsäure und Natronlauge bleiben die Natrium- und Chloridionen dabei in Lösung; sie sind an dieser zentralen Protonenübertragung nicht beteiligt.

Ob eine Mischung anschließend sauer, neutral oder basisch ist, hängt von den eingesetzten Stoffmengen und den Stoffarten ab. Gleiche Volumina allein garantieren keine Neutralität. Das berechnen wir auf der eigenen Seite zur Neutralisation genauer.

Unterrichtsimpuls: Den Protonenweg begründen

Zeige zuerst nur die Ausgangsteilchen eines Beispiels. Lass die Klasse vorhersagen, welches Teilchen H⁺ abgibt und wie sich dabei Formel und Ladung ändern. Vergleiche anschließend die beiden Wasser-Beispiele. Die Begründung soll sich auf die Reaktion beziehen, nicht auf eine auswendig gelernte feste Rolle des Wassers.

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Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.

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