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Das "Hard and Soft Acids and Bases"-Konzept (kurz HSAB)


Das HSAB-Prinzip

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.

  • Harte Teilchen (dies können Ionen oder Moleküle sein) sind Teilchen, die eine hohe Ladungsdichte (Ladung/Radius-Verhältnis) aufweisen (d.h. hohe Ladung und einen kleinen Atom/Ionen-Radius).
  • Weiche Teilchen sind Teilchen mit geringer Ladungsdichte, also Teilchen mit geringer Ladung und großem Atom/Ionen-Radius

Allgemein sind also Säuren und Basen umso härter, je

  • kleiner der Atom/Ionen-Radius ist  
  • höher die Ladung ist
  • höher die Oxidationsstufe ist
  • höher die Elektronegativität ist
Beispiele für Säuren/Basen
  • harte Säuren   :  H+, Na+, K+,  Mg2+, Ca2+
  • harte Basen    :  OH-, F-, Cl-, NH3
  • weiche Säuren:  Pd2+, Au+, Hg2+,
  • weiche Basen :  CN-

Anwendung des HSAB-Konzeptes

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.


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