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Protolysegleichgewichte

Der Wortteil Protolyse setzt sich aus Proton, griechisch für „erstes“, sowie Analyse, griechisch für „Auflösung“, zusammen.

Was sind Protolysegleichgewichte?

Bei der Protolyse handelt es sich um eine chemische Reaktion, in der ein Proton, ein H+-Ion, zwischen zwei reaktiven Partnern übertragen wird. Die Protolyse wird nicht selten fälschlicherweise als Abspaltung von Protonen bezeichnet. Nach der Brønstedschen Säure-Base-Theorie ist die Protolyse jedoch der entscheidende Vorgang bei der chemischen Gleichgewichtsreaktion. Dieser entsprechend wird aus einer Säure ein Proton (H+) übertragen. Dabei wirkt die Säure als Protonenspender oder Protonendonator. Die Base, meist Wasser, nimmt das Proton auf und wird so zum Protonenakzeptor. Zwischen Säure und Base stellt sich das Protolysegleichgewicht her.

Was sind Säuren und Basen?

Johannes Nicolaus Brønsted und Thomas Martin Lowry formulierten unabhängig voneinander die Idee, dass Säuren Protonendonatoren (H +) und Basen Protonenakzeptoren sind. In der Arrhenius-Theorie werden Säuren als Substanzen definiert, die in dissoziierter wässriger Lösung zu H + (Wasserstoffionen) werden, während Basen als Substanzen definiert sind, die in wässriger Lösung zu OH- (Hydroxidionen) dissoziieren. Im Jahr 1923 schlugen die Chemiker Johannes Nicolaus Brønsted in Dänemark und Thomas Martin Lowry in England unabhängig voneinander die Theorie vor, die ihren Namen trägt. In der Brønsted-Lowry-Theorie werden Säuren und Basen durch ihre Reaktion definiert.

H₂O + HCI ⇌ H₃O⁺ + CI^-

Das Gleichgewichtszeichen ⇌ wird verwendet, da die Reaktion sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung stattfinden kann. Die Säure kann ein Proton verlieren und zu einer konjugierten Base werden. Die Base B kann ein Proton aufnehmen, um zu einer konjugierten Säure zu werden. Die meisten Säure-Base-Reaktionen sind schnell, so dass die Reaktionskomponenten normalerweise im dynamischen Gleichgewicht miteinander stehen.

Protolysegleichgewichte in nichtwässrigen Lösungen

Neben Wasser können gemäß der Brønstedschen Säure-Base-Reaktionen auch andere polare Lösungen oder Lösungsmittel als Reaktionspartner verwendet werden. etwa Ethanol und Methanol. Ein sehr gutes Beispiel ist die Protolyse von flüssigem Ammoniak. Hierbei bilden sich die Ionen Amid und Ammonium.

Autoprotolyse

In reinem Wasser findet eine sogenannte Autoprotolyse statt, auch Autodissoziation genannt. Dabei entstehen Hydroxidionen sowie Oxoniumionen. Reines Wasser kann sowohl als Säure (Protonendonator) als auch als Base, als Protonenakzeptator, reagieren. Dies ist der Grund, warum selbst chemisch reines Wasser eine gewisse, wenn auch sehr geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Autoprotolyse ist sehr stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Bei 0 Grad sind praktisch keine Ionen im Wasser nachweisbar, bei 25 Grad sind es 1,01 K_w/(10^-14 M²) und bei 100 Grad 54 K_w/(10 ^-¹⁴ M^-2). Mit der Erhöhung der Temperatur sinkt der pH-Wert. Von 7,47 pH bei 0 Grad auf 6,14 pH bei 100 Grad. Das Wasser wechselt also bei steigender Temperatur von Base zu Säure. Bei 25 Grad ist das Wasser mit einem pH-Wert von 7 neutral.

Quizfragen zum Thema Protolysegleichgewichte

1. Welche Basen passen jeweils zu den folgenden Säuren
   a) OH ^‾
   b) NH₄⁺
   c) H₂PO₄‾

   Zu a) O^2‾
   Zu b) NH₃
   Zu c) HPO₄^2‾

2. Was ist die Arrhenius Definition in Bezug auf das Protolysegleichgewicht?

   Die erste moderne Definition von Säuren und Basen in molekularen Begriffen wurde von Svante Arrhenius entwickelt. Eine Wasserstofftheorie der Säuren, die sich aus seiner Arbeit von 1884 mit Friedrich Wilhelm Ostwald bei der Feststellung des Vorhandenseins von Ionen in wässriger Lösung ergab und dazu führte, dass Arrhenius 1903 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

3. Wie ist die Verhältnisformel für das Salz Natriumhydrogencarbonat?

   NaHCO₃
   Das Verhältnis ist 1:1, das Salz ist nach außen elektrisch neutral

4. Wodurch entstehen Luftschadstoffe wie saurer Regen?

   Werden fossile Brennstoffe verbrannt, entstehen CO₂, SO₂, NO und NO₂. Durch das in der Atmosphäre befindliche Ozon wird aus SO₂ SO₃. Regenwasser, eigentlich Neutral, wird so sauer. Das Protolysegleichgewicht ist gestört.

5. Was sind sogenannte Brønsted-Säuren?

   Bei Brønsted-Säuren handelt es sich um Verbindungen, die in der Lage sind, Protonen abzugeben, es sind Protonendonatoren.

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