Säure-Base-Reaktion

Wenn du Zitronensaft, Essigreiniger oder Seife kennst, hast du Säuren und Basen schon im Alltag getroffen. In der Chemie geht es dabei nicht nur um „sauer“ oder „ätzend“, sondern um den Austausch eines winzigen Teilchens. Danach kannst du Reaktionsgleichungen lesen und erkennen, wer in einer Säure-Base-Reaktion welche Rolle hat.

Deine Lernziele

• Ich kann erklären, was bei einer Säure-Base-Reaktion nach Brønsted passiert.
• Ich kann Säure, Base, Protonendonator und Protonenakzeptor unterscheiden.
• Ich kann in einer Reaktionsgleichung die übertragenen Protonen verfolgen.
• Ich kann korrespondierende Säure-Base-Paare markieren.
• Ich kann einfache Protolysen mit Wasser, Ammoniak und mehrprotonigen Säuren deuten.
• Ich kann typische Prüfungsfehler erkennen und korrigieren.

Die Grundidee: Ein Proton wechselt den Partner

Viele Säure-Base-Reaktionen sehen zuerst so aus, als würden Stoffe einfach „zerfallen“. Der Kern ist aber genauer: Ein Teilchen gibt ein Proton ab, ein anderes nimmt es auf.

Definition

Säure-Base-Reaktion

Eine Säure-Base-Reaktion nach Brønsted ist eine chemische Reaktion, bei der ein Proton \(H^+\) von einem Teilchen auf ein anderes übertragen wird. Man nennt sie auch Protolyse oder Protonenübertragungsreaktion.

Ein Proton ist hier ein Wasserstoff-Ion \(H^+\). Es besteht im Säure-Base-Modell nur aus dem positiv geladenen Kern eines Wasserstoffatoms. In Lösungen tritt es nicht frei herumliegend auf, sondern wird sofort von einem anderen Teilchen gebunden.

Merke

Frage bei jeder Säure-Base-Reaktion: Wer gibt ein \(H^+\) ab, und wer nimmt dieses \(H^+\) auf?

Beispiel

Stell dir zwei Teilchen wie Tanzpartner vor:

1. Teilchen A besitzt ein abgebbares \(H^+\).
2. Teilchen B hat ein freies Elektronenpaar und kann dieses \(H^+\) binden.
3. Nach der Reaktion hat A ein \(H^+\) weniger.
4. B hat ein \(H^+\) mehr.

Das ist keine echte Alltagsbewegung, sondern ein Modell für die Reaktion auf Teilchenebene.

Säure und Base nach Brønsted

Die Wörter Säure und Base beschreiben in diesem Modell keine festen Stofflisten. Sie beschreiben Rollen in einer Reaktion.

Definition

Säure

Eine Säure ist ein Protonendonator. Sie kann ein Proton \(H^+\) abgeben.

Definition

Base

Eine Base ist ein Protonenakzeptor. Sie kann ein Proton \(H^+\) aufnehmen.

„Donator“ bedeutet Geber. „Akzeptor“ bedeutet Aufnehmer. Eine Säure spendet also ein Proton, eine Base nimmt es auf. Beide Rollen gehören zusammen: Wenn ein Teilchen ein Proton abgibt, muss ein anderes es aufnehmen.

Beispiel

Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser:

$$ HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^- $$

Schritt für Schritt:

1. \(HCl\) besitzt ein abgebbares Proton.
2. \(HCl\) gibt dieses Proton an \(H_2O\) ab.
3. Aus \(H_2O\) wird \(H_3O^+\), weil Wasser ein Proton aufgenommen hat.
4. Aus \(HCl\) wird \(Cl^-\), weil das Proton fehlt.

Also ist \(HCl\) die Säure und \(H_2O\) die Base.

Reaktionsgleichungen richtig lesen

Eine Säure-Base-Gleichung liest du am besten nicht nur von links nach rechts, sondern durch Vergleichen ähnlicher Teilchen. Suche Teilchen, die sich nur um ein \(H^+\) unterscheiden.

Definition

Oxonium-Ion

Das Oxonium-Ion \(H_3O^+\) entsteht, wenn ein Wassermolekül \(H_2O\) ein Proton aufnimmt. Es zeigt in Wasser oft an, dass eine Säure reagiert hat.

Beispiel

Essigsäure in Wasser:

$$ CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+ $$

So findest du die Rollen:

1. Vergleiche \(CH_3COOH\) mit \(CH_3COO^-\).
2. Rechts fehlt ein \(H^+\), also hat Essigsäure ein Proton abgegeben.
3. Vergleiche \(H_2O\) mit \(H_3O^+\).
4. Rechts hat Wasser ein \(H^+\) mehr, also hat Wasser ein Proton aufgenommen.

Ergebnis: \(CH_3COOH\) ist die Säure, \(H_2O\) ist die Base.

Gut zu wissen

Der Doppelpfeil \(\rightleftharpoons\) bedeutet: Die Reaktion kann in beide Richtungen ablaufen. Bei schwachen Säuren bleibt ein Teil der Säuremoleküle unverändert, weil sich ein Gleichgewicht einstellt.

Merke

Vergleiche immer die passenden Teilchenpaare: „ein H mehr“ bedeutet Proton aufgenommen, „ein H weniger“ bedeutet Proton abgegeben.

Korrespondierende Säure-Base-Paare

Nach der Protonenübertragung verschwinden Säure und Base nicht einfach. Aus ihnen entstehen neue Teilchen, die in der Rückreaktion wieder die entgegengesetzte Rolle spielen können.

Definition

Korrespondierendes Säure-Base-Paar

Ein korrespondierendes Säure-Base-Paar besteht aus zwei Teilchen, die sich genau um ein Proton \(H^+\) unterscheiden. Die Säure hat ein Proton mehr als ihre korrespondierende Base.

In einer vollständigen Säure-Base-Reaktion gibt es immer zwei solche Paare: eines für den Stoff, der zuerst ein Proton abgibt, und eines für den Stoff, der zuerst ein Proton aufnimmt.

Beispiel

Für die Reaktion

$$ HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^- $$

findest du zwei Paare:

1. \(HCl / Cl^-\): \(HCl\) gibt ein Proton ab. \(Cl^-\) ist die korrespondierende Base.
2. \(H_3O^+ / H_2O\): \(H_2O\) nimmt ein Proton auf. \(H_3O^+\) ist die korrespondierende Säure.

Wichtig: Ein Paar steht oft nicht direkt nebeneinander in der Gleichung. Du erkennst es am Unterschied von genau einem \(H^+\).

Merke

Korrespondierende Paare unterscheiden sich um genau ein Proton, nicht um beliebige Atome oder ganze Molekülgruppen.

Stark, schwach und im Gleichgewicht

Manche Säuren geben Protonen sehr leicht ab. Andere tun das nur teilweise. Deshalb zeigen Gleichungen manchmal einen einfachen Pfeil und manchmal einen Gleichgewichtspfeil.

Definition

Protolysegleichgewicht

Ein Protolysegleichgewicht liegt vor, wenn Hinreaktion und Rückreaktion gleichzeitig ablaufen und sich die Mengen der beteiligten Teilchen im Durchschnitt nicht mehr ändern.

Eine starke Säure wie Salzsäure überträgt in Wasser ihr Proton nahezu vollständig. Eine schwache Säure wie Essigsäure reagiert nur zu einem kleineren Teil. Deshalb schreibt man bei Essigsäure meist den Gleichgewichtspfeil.

Beispiel

Vergleich:

Starke Säure in Wasser:

$$ HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^- $$

Schwache Säure in Wasser:

$$ CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+ $$

Deutung:

1. Bei \(HCl\) findest du in Wasser sehr viele \(H_3O^+\)-Ionen und \(Cl^-\)-Ionen.
2. Bei \(CH_3COOH\) bleiben viele Essigsäuremoleküle als \(CH_3COOH\) erhalten.
3. Trotzdem ist auch Essigsäure eine Säure, weil sie grundsätzlich Protonen abgeben kann.

Gut zu wissen

„Stark“ bedeutet hier nicht „gefährlich im Alltag“ und auch nicht „konzentriert“. Es beschreibt, wie weit eine Säure in Wasser Protonen abgibt. Eine verdünnte starke Säure kann wenig Stoff enthalten; eine konzentrierte schwache Säure kann trotzdem viele Moleküle enthalten.

Ampholyte, Wasser und mehrprotonige Säuren

Einige Teilchen können je nach Reaktionspartner beide Rollen spielen. Wasser ist dafür das wichtigste Beispiel.

Definition

Ampholyt

Ein Ampholyt ist ein Teilchen, das sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann. Es kann also Protonen abgeben und Protonen aufnehmen.

Wasser kann ein Proton aufnehmen und zu \(H_3O^+\) werden. Es kann aber auch ein Proton abgeben und zu \(OH^-\) werden. Deshalb kann Wasser sogar mit Wasser reagieren.

Definition

Autoprotolyse

Bei der Autoprotolyse übertragen gleiche Teilchen untereinander ein Proton. Bei Wasser reagiert ein Wassermolekül als Säure und ein anderes als Base.

Beispiel

Autoprotolyse des Wassers:

$$ H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^- $$

So liest du die Gleichung:

1. Ein \(H_2O\) gibt ein Proton ab und wird zu \(OH^-\).
2. Das andere \(H_2O\) nimmt dieses Proton auf und wird zu \(H_3O^+\).
3. Wasser ist hier Säure und Base zugleich, aber nicht dasselbe einzelne Molekül in beiden Rollen.

Beispiel

Ammoniak als Base:

$$ NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^- $$

1. \(NH_3\) nimmt ein Proton auf und wird zu \(NH_4^+\).
2. \(H_2O\) gibt dieses Proton ab und wird zu \(OH^-\).
3. Deshalb ist \(NH_3\) hier die Base und Wasser die Säure.

Mehrprotonige Säuren können mehr als ein Proton abgeben. Das geschieht schrittweise, nicht als ein chaotischer Sprung.

Beispiel

Schwefelsäure kann zwei Protonen abgeben:

1. Erste Stufe:

   $$ H_2SO_4 + H_2O \rightarrow HSO_4^- + H_3O^+ $$

2. Zweite Stufe:

   $$ HSO_4^- + H_2O \rightleftharpoons SO_4^{2-} + H_3O^+ $$

In der ersten Stufe entsteht Hydrogensulfat \(HSO_4^-\). Dieses Teilchen kann in der zweiten Stufe noch ein weiteres Proton abgeben.

Merke

Bei mehrprotonigen Säuren zählst du die Protonenabgabe stufenweise: erstes Proton, zweites Proton, eventuell drittes Proton.

Prüfungsmodus: typische Aufgaben knacken

In Klassenarbeiten musst du oft nicht nur auswendig wissen, was Säure und Base bedeuten. Du musst an einer neuen Gleichung entscheiden, wer welches Proton verschiebt.

Beispiel

Aufgabe: Bestimme Säure und Base in

$$ HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons CO_3^{2-} + H_3O^+ $$

Lösung:

1. \(HCO_3^-\) wird zu \(CO_3^{2-}\).
2. Dabei verliert es ein Proton.
3. Also ist \(HCO_3^-\) die Säure.
4. \(H_2O\) wird zu \(H_3O^+\).
5. Wasser nimmt ein Proton auf.
6. Also ist \(H_2O\) die Base.

Korrespondierende Paare: \(HCO_3^- / CO_3^{2-}\) und \(H_3O^+ / H_2O\).

Beispiel

Fehler finden:

Jemand sagt zu \(NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-\): „Wasser ist die Base, weil Wasser in Säure-Base-Reaktionen immer die Base ist.“

Korrektur:

1. Prüfe die Gleichung, nicht eine feste Merkliste.
2. \(H_2O\) wird zu \(OH^-\) und hat ein Proton weniger.
3. Wasser gibt hier ein Proton ab.
4. Deshalb ist Wasser in dieser Reaktion die Säure.

Alles auf einen Blick

Abschluss-Check

Jetzt prüfst du, ob du das Prinzip auch bei neuen Teilchen anwenden kannst. Lies jede Gleichung über den Protonenwechsel, nicht über den Namen des Stoffes.

Zusammenfassung

Eine Säure-Base-Reaktion nach Brønsted ist eine Protonenübertragung. Die Säure gibt ein \(H^+\) ab, die Base nimmt dieses \(H^+\) auf. In Gleichungen findest du die Rollen, indem du Teilchen vergleichst, die sich um genau ein Proton unterscheiden.

Korrespondierende Säure-Base-Paare sind die Vorher-Nachher-Partner eines Teilchens. Die Säure hat ein Proton mehr als ihre korrespondierende Base. Wasser ist besonders wichtig, weil es als Ampholyt sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben kann. Bei mehrprotonigen Säuren läuft die Protonenabgabe stufenweise ab.