Säuren und Basen – Grundlagen

Die Grundlage der Säure-Base-Chemie war das Verständnis für die Protolyse(reaktion), bei der es sich um eine Protonenübertragungsreaktion handelt. Es ist also eine chemische Reaktion, bei der ein Proton (H⁺-Ion) zwischen zwei Reaktionspartnern übertragen wird.
Aus der Protolyse leitet sich eine Theorie zur Definition für Säure-Basen-Reaktion ab. Die Protonenübertragungsreaktion ist dabei der entscheidende Vorgang der Säure-Base-Theorie von Brönsted. Dabei überträgt eine Säure ein Proton (H⁺) an einen Reaktionspartner. Da ein Proton niemals “alleine” existieren kann, benötigt man einen Reaktionspartner, der das Proton aufnehmen kann. So entstand die Säure-Base-Theorie von Brönsted.

Neben der Definition gibt es noch zwei weitere Definitionen von Säuren:

• Theorie nach Arrhenius.Die Theorie von Arrhenius ist die älteste der drei vorgestellten Theorien. Nach der Säure-Base-Definition von Arrhenius sind Säuren Wasserstoffverbindungen, die in wässriger Lösung H⁺-Ionen (Protonen) abspalten und

• Theorie nach Brönsted: Säuren sind Moleküle oder Ionen, die Protonen abgeben können (Säuren = Protonendonator) und Basen sind Moleküle oder Ionen, die Protonen aufnehmen können (Basen = Protonenakzeptoren)

• Theorie nach Lewis, die die Säure-Definition von Brönsted noch erweitert. Eine Lewis-Säure besitzt eine Elektronenpaarlücke, die mit Bindungselektronen besetzt werden kann. (Lewis-Säure: Elektronenpaarakzeptor). Eine Lewis-Base besitzt demgegenüber ein freies Elektronenpaar (Lewis-Base: Elektronenpaardonator)

Entwicklung der Säure-Base-Theorie

Aus dem Verständnis der Protolysereaktion leitete Arrhenius seine Säure-Base-Theorie ab. Verbessert wurde diese Theorie noch von Brönsted.

• Die Arrheniusdefinition war nur in wässriger Lösung gültig, die Brönsted-Definition ist unabhängig vom Lösungsmittel Wasser, ermöglichen die Einbeziehung der nichthydroxidhaltigen Stickstoffbasen (Ammoniak, Amine), da bei Arrhenius Basen  hydroxidhaltige Verbindungen sind.
• Das Definition von Lewis ist umfassender als die Brönsted-Definition, da diese auch Verbidnungen erfasst, in denen keine Protonen auftreten.

Trotzdem wird weitestgehend auf die Brönstedt-Definition zurückgegriffen (nicht nur in der Schule), da die Lewis-Definition nur wenig geeignet, die Lage von Säure-Base-Gleichgewichten quantitativ zu erfassen, da nicht jeder Brönsted-Säure auch notwendigerweise eine Lewis-Säure sein muss. So besitzt z.B.Salzsäure (HCl) keine Elektronenpaarlücke und wäre nach Definition von Lewis keine Lewis-Säure.

Säure-Base-Theorie nach Brönsted

Theorie nach Brönsted: Säuren sind Moleküle oder Ionen, die Protonen abgeben können (Säuren = Protonendonator) und Basen sind Moleküle oder Ionen, die Protonen aufnehmen können (Basen = Protonenakzeptoren).

Nun stellt sich die Frage, welche Moleküle oder Ionen leicht Protonen abgeben können, denn nicht jede “Wasserstoffverbindung” gibt in der Realität  auch ein (oder mehrere) Proton(en) ab. Essigsäure (H3CCOOH) ist eine einprotonige Säure,  gibt also nur ein Proton ab. Damit eine Wasserstoffverbindung “leicht” ein Proton abgibt, muss ein sog. “azides Proton (polare H-X-Bindung)” vorliegen, so dass in einer Verbindung gebundene Wasserstoffatome als Protonen abgegeben werden und damit formal als Säure zu agieren: So hat Methan eine Säurekonstante von 50 (vgl. Wasser mit 14 oder Salzsäure mit -6) und gibt damit kaum ein Proton ab.

Warum geben manche Wasserstoffverbindungen keine Protonen ab?

Dafür gibt es zwei Gründe:

• Zum einen muss eine genügend polare Bindung vorliegen: Betrachtet man z.B. H-X, so kann das Proton nur abgespalten werden, wenn das X-Atom in der Lage ist, die Bindungselektronen zu sich zu ziehen. Beispielsweise um bei Methan (Wasserstoffverbindung -> theoreitsch Protonendonator) ein Proton freizusetzen, müsste die Elektronegativitätsdifferenz von Kohlenstoff und Wasserstoff ausreichend hoch sein (als Richtwert kann man in wässrigen Lösungen eine Elektonegativitätsdifferenz von > 0,5 annehmen), um das Elektron des Wasserstoffs bzw. die Bindungselektronen so weit zu sich heran zu ziehen dass das Proton freigesetzt wird.

• Im Prinzip ist jede Säure-Base-Reaktion auch eine Gleichgewichtsreaktion. Die Säure gibt ein Proton an die Base ab, die Säure wird dabei selbst zur Base und die Base wird durch die Aufnahme eines Protons zur Base.  Säure(A) + Base(B) -> Base(A) + Säure(B), d.h in dem Gleichgewichtssystem konkurrieren die Säure(A) und Säure(B), wer das Proton “abgeben” darf. Dabei “gewinnt” die stärke Säure.

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• Synthese von Säuren und Basen

• Typische Säuren und Basen

Fragen zu Säuren

Welches chemische Element haben alle (Brönstedt) Säuren gemeinsam?
a) Sauerstoff
b) Wasserstoff
c) Stickstoff

Antwort: siehe weiter unten

Antwort: In allen Formeln von (Brönstedt)Säuren ist das Wasserstoffatom vorhanden.

Säuren und Basen – Grundlagen – Testfragen/-aufgaben

1. Definieren Sie den Begriff „Säure“.

Ein Stoff wird als Säure bezeichnet, wenn er in der Lage ist, Protonen (H⁺) abzugeben.

2. Was versteht man unter einer „Base“?

Basen sind Stoffe, die Protonen (H⁺) aufnehmen können.

3. Was ist der pH-Wert und wie wird er gemessen?

Der pH-Wert ist ein Maß für den Säuregehalt einer Lösung. Er wird mithilfe eines pH-Meters oder Indikatorpapiers gemessen.

4. Was bedeutet “Neutralisation” im Kontext von Säuren und Basen?

Die Neutralisation bezeichnet eine Reaktion, bei der eine Säure mit einer Base reagiert und es zu Salz und Wasser kommt.

5. Was versteht man unter der “Protolyse”?

Unter einer Protolyse versteht man die Abgabe oder Aufnahme von Protonen (H⁺) durch Säuren bzw. Basen.

6. Was ist ein Protonendonator?

Ein Protonendonator ist eine Substanz, die Protonen abgeben kann. Also eine Säure.

7. Was ist ein Protonenakzeptor?

Ein Protonenakzeptor ist eine Substanz, die Protonen aufnehmen kann. Dies wäre eine Base.

8. Was ist der Unterschied zwischen einer starken und einer schwachen Säure?

Eine starke Säure gibt ihre Protonen vollständig ab, während eine schwache Säure ihre Protonen nur teilweise abgibt.

9. Was kennzeichnet eine Lewis-Säure und eine Lewis-Base?

Eine Lewis-Säure ist ein Elektronenpaarakzeptor, eine Lewis-Base ein Elektronenpaardonator.

10. Was ist eine Ampholyte?

Ampholyte sind Stoffe, die sowohl als Säure als auch als Base wirken können. Sie können somit Protonen abgeben und aufnehmen.

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