Zum Verständnis der Chemie gehören auch einfache Konzepte zur Vorhersage “von Reaktionsprodukten” dazu. Eines dieser Konzepte ist das HSAB-Konzept, das Konzept der harten und weichen Säuren und Basen. Dieses Konzept ermöglicht eine (einfache) Aussage über die Stabilität von Lewis-Säure-Base-Addukten (in seinen Anfängen bezog sich das HSAB-Konzept nur auf Säure-Base-Reaktionen). Das einfache HSAB-Konzept besagt, dass harte Säuren (im erweiterten Sinne: Teilchen) bevorzugt mit harten Basen reagieren und weiche Säuren bevorzugt mit weichen Basen reagieren. In diesem Zusammenhang muss aber auch betont werden, dass die Zuordnungen “hart” und “weich” keine absoluten (messbaren) Größen sind, sondern nur relative Größen (im Vergleich) zueinander.
Entstanden ist das HSAB-Prinzip (nach seinem Entwickler auch Pearson-Prinzip bezeichnet) aufgrund der Fragestellung, ob Lewis-Säuren und Basen aufgrund ihrer (Säuren- und Basen-) Stärke in ein Ordnungsprinzip eingeordnet werden. Etliche Untersuchungen zeigten, dass die Säure- oder Basenstärke nicht (immer) geeignet ist, Reaktionsvorhersagen von Säure-Base-Reaktionen zu treffen.
Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass innerhalb starker/schwacher Säuren bzw. Basen noch eine Unterteilung getroffen werden. So kann man Säuren und Basen noch in harte und weiche Basen sowie harte und weiche Säuren unterteilen.
Allgemein sind also Säuren und Basen umso härter, je
Beispiele für Säuren/Basen
Wie gesagt, dient das HSAB-Konzept dazu, Säure-Base-Reaktionen (bzw. das Hauptprodukt) vorherzusagen. Gemäß dem HSAB- Prinzip reagieren harte Säuren bevorzugt mit harten Basen, weiche Säuren reagieren bevorzugt mit weichen Basen. Dies soll nun an einem Beispiel gezeigt werden
Wir betrachten dazu, Calcium-Ionen und Sulfid- bzw. Sulfat-Ionen, wie sie in der Natur vorliegen. Nun stellt sich die Frage, welches Produkt am stabilsten ist (=> Hauptprodukt). Es könnte sich daher Calciumsulfat oder Calciumsulfid bilden. Bevorzugt bildet sich in der Natur “Calciumsulfat”, da es ein Reaktionsprodukt aus einer harten Säure (Calcium-Ionen) und einer starken Base (Sulfat-Ionen) ist, während die Sulfid-Ionen weiche Basen sind.
HSAB-Konzept in der Chemie
Obwohl das HSAB-Konzept für “Säure-Base-Reaktionen” entwickelt wurde, wird es aber heute vor allem in der organischen Chemie und der Chemie von Übergangsmetall-Komplexen verwendet. Die Vorhersagen der Hauptprodukte bei Reaktionen in diesen Teilgebieten der Chemie sind in der Regel zutreffend (die Auswahl an verschiedenen “Elementen” ist in diesen Teilgebieten nicht so “groß” wie bei anorganischen Säuren und Basen)
weiterführende Informationen: HSAB-Konzept in der Theorie
Das man mit dem HSAB-Konzept in der organischen Chemie und der Koordinationschemie relativ einfach (und auch mit hoher Wahrscheinlichkeit) das Hauptprodukt einer Reaktion vorhersagen kann, lässt sich auch mit physikalischen Gesetzen (=> Orbitalmodell) begründen (ohne tiefergehende Begründung). Denn es gilt in der Regel, dass je höher ein “Ion” geladen ist, umso weiter (im Orbitalmodell) die Orbitale (HOMO und LUMO) energetisch voneinander entfernt sind.
Dies führt dazu, dass der Abstand bei Hart-Hart-Teilchen sehr groß ist, so dass zwischen dem Addukt aus “Säure” und “Base” ionische Kräfte wechselwirken. Zwischen weichen Säuren und Basen sind die HOMO-LUMO-Orbitale energtisch näher zusammen, dass bedeutet, dass die Überlappung zwischen HOMO und LUMO-Orbital eher kovalent sind. Daher reagieren auch bervorzugt harte Teilchen miteinander und weiche Teilchen miteinander.
HSAB steht für Hard and Soft Acids and Bases, ein Konzept, das von Ralph Pearson eingeführt wurde und das Verständnis von Reaktionen zwischen Säuren und Basen erleichtert.
Hard Acids sind kleine, stark geladene Atome/Ionen mit wenig Polarisierbarkeit. Sie ziehen Elektronen stark an (hohe Elektronegativität) und neigen eher zu ionic bonds. Beispiele sind Natrium- oder Lithium-Ionen. Hard Bases sind ebenfalls kleine, stark geladene Atome/Ionen, jedoch mit einer kleinen Menge unpolarisierten Elektronen. Beispiele sind Fluorid oder Hydroxid.
Soft Acids sind große, schwach geladene Atome/Ionen mit hoher Polarisierbarkeit. Sie sind eher geneigt, kovalente Bindungen zu bilden. Beispiele sind Blei- oder Quecksilber-Ionen. Soft Bases sind ebenfalls große Atome/Ionen, jedoch mit einer großen Menge unpolarisierten Elektronen. Beispiele sind Iodid oder Cyanid.
Das HSAB-Konzept besagt, dass harte Säuren bevorzugt mit harten Basen reagieren und weiche Säuren mit weichen Basen. Es gibt an, welche Bindungen bevorzugt gebildet werden und welche Art von Reaktion stattfinden kann.
Die Polarität hängt stark mit dem HSAB-Konzept zusammen, da sie direkt die Härte oder Weichheit von Säuren und Basen beeinflusst. Harte Säuren/Basen sind wenig polarisierbar, während weiche Säuren/Basen stark polarisierbar sind.
Das HSAB-Konzept bietet eine einfachere Möglichkeit, die Tendenzen von Säuren und Basen zu verstehen. Es zeigt die Wahrscheinlichkeiten und Präferenzen von Reaktionen und hilft bei der Vorhersage von Produktformen.
Harte Säuren beinhalten zum Beispiel H+, Li+, Na+, K+ usw., während harte Basen OH-, F-, Cl- usw. beinhalten. Weiche Säuren umfassen Pb2+, Au+, Ag+ usw., während weiche Basen I-, Br-, CN- usw. umfassen.
Das HSAB-Konzept basiert auf der Tatsache, dass Elektronentransferreaktionen (wie Redox-Reaktionen) häufiger und energetisch günstiger sind, wenn die Beteiligten ähnliche Härten aufweisen. Dies wird auf die Energie- und Ladungsverteilung der beteiligten Atome/Ionen sowie auf ihre Polaritäten zurückgeführt.
Harte Säuren und Basen tendieren dazu, ionische Bindungen zu bilden, während weiche Säuren und Basen eher zu kovalenten Bindungen neigen.
Das HSAB-Konzept ist eine Erweiterung der Lewis-Säure-Base-Theorie. Während die Lewis-Theorie Säuren als Elektronenakzeptoren und Basen als Elektronendonatoren definiert, geht das HSAB-Konzept einen Schritt weiter und klassifiziert diese Säuren und Basen als hart oder weich, je nach Polarität der Teilchen und der Art ihrer Reaktion.