Säuren und Basen: Eine Betrachtung auf Teilchenebene

Einige wässrige Lösungen brennen in einer Schnittwunde, schäumen bei Kontakt mit Metallen oder verändern die Farbe von Indikatorpapier. Diese Beobachtungen sind auf Veränderungen der gelösten Teilchen zurückzuführen. Insbesondere verändern Säuren und Basen die Konzentration von Hydronium- und Hydroxid-Ionen im Wasser. Der pH-Wert ist ein logarithmisches Maß für die Hydronium-Konzentration; der Säuregrad ist also letztlich eine Frage der Konzentration von $[H_3O^+]$.

Oft lässt sich eine makroskopische Erscheinung mit einer Ursache auf Teilchenebene verknüpfen.

• Die Farbe eines Indikators ändert sich, weil Indikatormoleküle ein Proton aufnehmen oder abgeben, wodurch sich ihre Elektronenverteilung und Lichtabsorption verändern.
• Die Leitfähigkeit steigt, wenn mehr Ionen vorhanden sind, da bewegliche Ionen Ladung durch die Lösung transportieren.
• Eine Reaktion mit bestimmten Metallen tritt ein, wenn $H_3O^+$ zur Verfügung steht, um zu $H_2(g)$ reduziert zu werden, während die Metallatome zu Metallionen oxidiert werden.

Sicherheitshinweis Geschmacksproben oder der direkte Hautkontakt sind keine geeigneten Methoden zur Identifizierung von Säuren oder Basen, da ätzende Lösungen das Gewebe ohne Vorwarnung schädigen können.

Protonenübertragung im Wasser

Im Brønsted-Lowry-Modell gibt eine Säure ein Proton ($H^+$) ab, während eine Base ein Proton aufnimmt. Bei der Protonenübertragung schwimmt das Proton nicht lange frei im Wasser umher. Es wird zwischen Molekülen übertragen und liegt im Wasser in Form des Hydronium-Ions ($H_3O^+$) vor.

Eine hilfreiche erste Vorstellung auf Teilchenebene ist es, Wasser als aktiven Reaktionspartner zu betrachten. Gelangt ein Säuremolekül $HA$ in Wasser, kann ein Wassermolekül dessen Proton aufnehmen; dabei entstehen $H_3O^+$ und die konjugierte Base $A^-$. Die ausgeglichene Gleichung auf Teilchenebene lautet:

$$HA(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+A^-(aq)$$

Die Bilanzierung von Atomen und Ladungen bestätigt die Erhaltung.

• Atome links: $H$: $1+2=3$, $A$: 1, $O$: 1
• Atome rechts: $H$: 3, $A$: 1, $O$: 1
• Ladung links: 0
• Ladung rechts: $(+1)+(-1)=0$

Ebenso kann eine Base $B$ ein Proton vom Wasser aufnehmen, wobei $BH^+$ und $OH^-$ entstehen. Entscheidend ist, dass Säuren und Basen durch ihr Verhalten bei der Protonenübertragung definiert werden, wobei Wasser häufig das Molekül ist, das das Proton aufnimmt oder bereitstellt.

Veranschaulichen Sie das Teilchenmodell des Protonentransfers in Wasser.

Drei Definitionen und ihre Bedeutung

Unterschiedliche Definitionen betonen verschiedene Aspekte und Reaktionstypen. Eine Arrhenius-Säure erhöht die $[H_3O^+]$-Konzentration in Wasser, und eine Arrhenius-Base erhöht die $[OH^-]$-Konzentration in Wasser. Dies funktioniert gut für viele wässrige Systeme wie $HCl(aq)$ und $NaOH(aq)$, erfasst jedoch keine Basen, die kein $OH^-$ enthalten.

Das Brønsted-Lowry-Konzept ist umfassender, da es den Protonentransfer in den Mittelpunkt stellt – auch wenn kein $OH^-$ in der Formel der Base enthalten ist. So ist beispielsweise $NH_3$ eine Brønsted-Lowry-Base, da es ein Proton vom Wasser aufnimmt.

Eine Lewis-Säure nimmt ein Elektronenpaar auf, während eine Lewis-Base ein Elektronenpaar abgibt; dieses Konzept geht also über den Protonentransfer hinaus. Ein Molekül wie $BF_3$ ist eine Lewis-Säure, da das Bor-Atom über ein leeres Orbital verfügt, das ein freies Elektronenpaar aufnehmen kann – obwohl $BF_3$ keinen Wasserstoff zur Abgabe enthält.

Es wird aufgezeigt, wie verschiedene bekannte Stoffe zwar einer Definition entsprechen, einer anderen jedoch nicht.