Protolyse: Protonenübertragung einfach erklärt
Du lernst, Protonenübergänge zu erkennen, Säure-Base-Paare zuzuordnen und Gleichungen auf Atome und Ladung zu prüfen.
Kurz gesagt
Eine Protolyse ist die Übertragung eines Protons von einer Säure auf eine Base. Dabei entstehen die korrespondierende Base und die korrespondierende Säure. Zum Beispiel gibt Wasser an Ammoniak ein Proton ab: Es entstehen Hydroxid- und Ammonium-Ionen.
Bei einer Protolyse überträgt eine Säure ein Proton auf eine Base. Nach dem Brønsted-Konzept ist die Säure der Protonendonator und die Base der Protonenakzeptor. Wasser kann beteiligt sein, ist aber nicht notwendig. Auf dieser Seite lernst du, die Rollen der Teilchen zu bestimmen, korrespondierende Säure-Base-Paare zu erkennen und Protolysegleichungen aufzustellen.
Deine Lernziele
Stell dir zwei Teilchen vor: Das eine kann ein Proton abgeben, das andere kann es aufnehmen. Treffen beide zusammen, kann ein Protonenübergang stattfinden. Nach Brønsted gelten diese Rollen: Eine Säure gibt ein Proton ab. Sie ist der Protonendonator. Eine Base nimmt ein Proton auf. Sie ist der Protonenakzeptor. Ein Proton ist hier ein positiv geladenes Wasserstoffteilchen, geschrieben als \ce{H+}.
Ein Säuremolekül benötigt dafür ein abspaltbares, polar gebundenes Wasserstoffatom. Ein Protonenakzeptor benötigt ein freies Elektronenpaar, an das sich das Proton binden kann. „Polar gebunden“ bedeutet: Die Bindungselektronen sind ungleich verteilt. Ein freies Elektronenpaar sind zwei Elektronen, die noch keine Bindung zu einem anderen Atom bilden.
Protolyse
Eine Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der ein Proton zwischen zwei Reaktionspartnern übertragen wird. Ein Proton wird dabei nicht einfach freigesetzt, sondern von einem anderen Teilchen aufgenommen.
Beispiel: Bromwasserstoff überträgt ein Proton auf Wasser
- 1\ce{HBr + H2O -> H3O+ + Br-}
- 2\ce{HBr} gibt ein Proton ab und ist die Säure.
- 3\ce{H2O} nimmt das Proton auf und ist die Base.
- 4Es entstehen Oxonium-Ionen \ce{H3O+} und Bromid-Ionen \ce{Br-}.
- 5So liest du \ce{H3O+}: Die kleine 3 gehört zum H, also drei H-Atome und ein O-Atom. Das hochgestellte Plus bedeutet eine positive Ladung.
Merke: Bestimme die Rollen am Protonenübergang: Abgabe bedeutet Säure, Aufnahme bedeutet Base.
Teste dich
Nach der Protonenübertragung wird aus der Säure ihre korrespondierende Base. Aus der Base wird ihre korrespondierende Säure. Die beiden Teilchen eines Paares unterscheiden sich genau um ein Proton. Bei \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} gibt Hydrogenchlorid ein Proton an Wasser ab. Die Paare sind \ce{HCl/Cl-} und \ce{H3O+/H2O}. Die entstehenden Ionen erklären die Leitfähigkeit der sauren Lösung.
Zum Aufstellen einer Gleichung bestimmst du zuerst Säure und Base. Entferne bei der Säure ein \ce{H+} und füge es bei der Base hinzu. Prüfe dann die Anzahl der Atome und die Gesamtladung auf beiden Seiten. Ein Pfeil allein verrät die Rollen nicht; maßgeblich ist die betrachtete Reaktionsrichtung. Zum Beispiel wird aus \ce{HSO4-} durch Abgabe von \ce{H+} das Ion \ce{SO4^2-}: vier O-Atome bleiben erhalten, die Ladung sinkt von einfach auf zweifach negativ.
Auch Essigsäure gibt an Wasser ein Proton ab: Es entstehen Acetat und Oxonium. Die Paare sind \ce{CH3COOH/CH3COO-} und \ce{H3O+/H2O}. Im zweiten Quellbeispiel gibt Phosphorsäure \ce{H3PO4} ein Proton an Ammoniak \ce{NH3} ab. Dabei entstehen \ce{H2PO4-} und \ce{NH4+}; die Paare sind \ce{H3PO4/H2PO4-} und \ce{NH4+/NH3}. Links und rechts beträgt die Gesamtladung null.
Korrespondierendes Säure-Base-Paar
Eine Säure und ihre korrespondierende Base unterscheiden sich genau durch ein Proton. Dasselbe gilt für eine Base und ihre korrespondierende Säure.
Beispiel: Schwefelwasserstoff überträgt ein Proton auf Wasser
- 1Links stehen \ce{H2S + H2O}, rechts \ce{HS- + H3O+}.
- 2Der Doppelpfeil zeigt, dass die Protonenübertragung auch rückwärts ablaufen kann.
- 3\ce{H2S} gibt ein Proton ab und wird zu \ce{HS-}: Säure und korrespondierende Base.
- 4\ce{H2O} nimmt das Proton auf und wird zu \ce{H3O+}: Base und korrespondierende Säure.
- 5Links und rechts stehen vier H-, ein S- und ein O-Atom. Die Gesamtladung ist auf beiden Seiten null.
Beispiel: Dihydrogenphosphat gibt ein Proton an Hydroxid ab
- 1Links stehen \ce{H2PO4- + OH-}; daraus entstehen rechts \ce{HPO4^2- + H2O}.
- 2\ce{H2PO4-} gibt ein Proton ab und ist die Säure; \ce{OH-} nimmt es auf und ist die Base.
- 3Die Paare sind \ce{H2PO4-/HPO4^2-} und \ce{H2O/OH-}.
- 4Kontrolle: Links und rechts stehen drei H-, ein P- und fünf O-Atome. Die Gesamtladung ist auf beiden Seiten −2.
Teste dich
Wasser nimmt gegenüber einer Säure ein Proton auf. Gegenüber einer geeigneten Base kann es selbst eines abgeben. Mit Ammoniak reagiert es als Säure:
\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}
\ce{NH3} nimmt ein Proton auf, \ce{H2O} gibt eines ab. Mit \ce{HCl} war Wasser dagegen die Base. Ein solches Teilchen heißt Ampholyt. Auch \ce{HSO4-} kann Protonen aufnehmen und zu \ce{H2SO4} werden oder sie abgeben und zu \ce{SO4^2-} werden.
Bei der Autoprotolyse übertragen zwei Wassermoleküle untereinander ein Proton. Die große 2 vor \ce{H2O} zählt zwei ganze Moleküle, also zusammen vier H- und zwei O-Atome:
\ce{2 H2O <=> H3O+ + OH-}
Die Reaktion läuft in beide Richtungen: Ionen entstehen und bilden wieder Wasser. Im Gleichgewicht geschehen beide Vorgänge in derselben Zeit gleich oft. Es bleiben nur wenige Ionen in chemisch reinem Wasser; deshalb leitet es Strom nur schwach. Die Stoffmenge beschreibt die Anzahl der Teilchen in der Einheit Mol (mol); gleiche Molzahlen bedeuten gleich viele Teilchen. Die Konzentration c gibt diese Stoffmenge je Liter Lösung an. Das Produkt der beiden Ionenkonzentrationen heißt Ionenprodukt des Wassers:
K_\mathrm{W}=c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-})
Bei 25 °C gilt:
K_\mathrm{W}\approx10^{-14}\,\mathrm{mol^2/L^2}
Die Einheit mol²/L² entsteht, weil zwei Konzentrationen in mol/L miteinander multipliziert werden.
Ampholyt
Ein Ampholyt ist ein Teilchen, das abhängig vom Reaktionspartner sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann.
Merke: Neutral bedeutet c(\ce{H3O+})=c(\ce{OH-}). Der zugehörige pH-Wert hängt von der Temperatur ab und beträgt nicht bei jeder Temperatur genau 7.
Teste dich
Das Brønsted-Konzept verlangt einen Protonendonator und einen Protonenakzeptor, aber kein Wasser. Gasförmiges Hydrogenchlorid und Ammoniak reagieren unter Bildung von festem Ammoniumchlorid. Der weiße Rauch besteht aus feinen festen Teilchen. Hydrogenchlorid und Ammoniak sind als Gase giftig beim Einatmen und ätzend. Deshalb betrachten wir die Reaktion hier nur als Gleichung. Protolyse kann auch in anderen hinreichend polaren Lösungsmitteln stattfinden. Flüssiges Ammoniak kann durch Autoprotolyse Ammonium-Ionen \ce{NH4+} und Amid-Ionen \ce{NH2-} (Ammoniak ohne ein Proton) bilden.
Ausblick: Ein Gleichgewicht bedeutet: Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und in derselben Zeit gleich oft ab. Der pKₛ-Wert beschreibt die Stärke einer Säure: Ein kleinerer Wert gehört zur stärkeren Säure. Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der schwächeren Säure, also der Säure mit dem größeren pKₛ-Wert. Die Zahlenwerte und Rechenregeln gehören zum weiterführenden Thema Säure-Base-Gleichgewicht; du musst sie für die Protonenübertragung hier nicht berechnen.
Beispiel: Protonenübertragung ohne Wasser
- 1Gasförmiges Hydrogenchlorid und gasförmiges Ammoniak übertragen ein Proton:
- 2\ce{HCl(g) + NH3(g) -> NH4Cl(s)}
- 3Dabei entstehen \ce{NH4+} und \ce{Cl-}; sie bilden zusammen festes Ammoniumchlorid. Feine feste Teilchen erscheinen als weißer Rauch und setzen sich ab.
- 4\ce{HCl} ist die Säure, \ce{NH3} die Base.
- 5Wasser ist an dieser Protonenübertragung nicht beteiligt.
Beispiel: Ausblick: Essigsäure reagiert mit Ammoniak
- 1Links stehen \ce{CH3COOH + NH3}; rechts stehen \ce{CH3COO- + NH4+}.
- 2Der Doppelpfeil zeigt: Die Reaktion kann auch rückwärts ablaufen.
- 3Gegeben sind für die Säuren die Tabellenwerte pK_\mathrm{s}(\ce{CH3COOH})=4{,}76 und pK_\mathrm{s}(\ce{NH4+})\approx9{,}25 bei etwa 25 °C in Wasser.
- 4Essigsäure hat den kleineren pKₛ-Wert und ist die stärkere Säure.
- 5Ammonium ist die schwächere Säure. Das Gleichgewicht liegt überwiegend rechts.
Merke: Im Ausblick vergleichst du beide Säuren: Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der schwächeren Säure.
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Alles auf einen Blick
Protolyse
Protonenübertragung; Säure gibt ab; Base nimmt auf
korrespondierende Paare; Unterschied von einem Proton; Ampholyte mit zwei möglichen Rollen
in Wasser; ohne Wasser; Autoprotolyse
Rollen und Ladungen prüfen; im Ausblick die Säuren eines Gleichgewichts vergleichen
Protolysegleichung aus Teilchen bilden
- 1Gegeben sind \ce{HCO3-} als Protonendonator und \ce{OH-} als Protonenakzeptor.
- 2\ce{HCO3-} gibt ein Proton ab und wird zu \ce{CO3^2-}.
- 3\ce{OH-} nimmt das Proton auf und wird zu \ce{H2O}.
- 4Die Gleichung lautet: \ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O}
- 5Kontrolle: links und rechts sind die Atome gleich; die Gesamtladung beträgt auf beiden Seiten −2.
Fehler finden
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile ist falsch: Nach Abgabe von \ce{H+} entsteht \ce{F-}, nicht \ce{F+}. Richtig ist \ce{HF + OH- -> F- + H2O}; links und rechts beträgt die Gesamtladung −1.
Lückentext
Bei einer Protolyse gibt die ein Proton ab. Die Base wird durch die Protonenaufnahme zu ihrer . Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau .