Brønsted-Säure-Base-Theorie - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 11-13, E-Niveau

Einleitung

Die Brønsted-Säure-Base-Theorie erklärt Säure-Base-Reaktionen als Übertragung von Protonen ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$. Eine Brønsted-Säure gibt ein Proton ab. Eine Brønsted-Base nimmt ein Proton auf. Deshalb nennt man Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren.

Die Theorie wurde 1923 unabhängig voneinander von Johannes Nicolaus Brønsted und Martin Lowry formuliert. Sie erweitert das Arrhenius-Säure-Base-Konzept, weil sie nicht auf wässrige Lösungen beschränkt ist.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du Säuren und Basen nach Brønsted bestimmen, Protonenübertragungen formulieren, korrespondierende Säure-Base-Paare zuordnen und Ampholyte erkennen. Außerdem kannst Du einfache Reaktionsgleichungen begründen und die Theorie auf neue Teilchen übertragen.

Grundidee: Donator und Akzeptor

Eine Säure-Base-Reaktion nach Brønsted ist eine Protolyse. Dabei wird ein Proton von einem Teilchen auf ein anderes übertragen:

$\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}$

1. Säure $\mathrm{H}\mathrm{A}$: gibt ein Proton ab.
2. Base $\mathrm{B}$: nimmt ein Proton auf.
3. Korrespondierende Paare: $\mathrm{H}\mathrm{A}/{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$ und $\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}/\mathrm{B}$ unterscheiden sich jeweils um genau ein Proton.

Eine Säure kann nur dann ein Proton abgeben, wenn gleichzeitig eine Base dieses Proton aufnimmt. Säure und Base treten daher immer gemeinsam als Reaktionspartner auf.

Datei:Bronsted-lowry diagram.svg

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Beispiel 1: Chlorwasserstoff und Wasser

Chlorwasserstoff überträgt ein Proton auf Wasser:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Hier ist $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ die Säure und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ die Base. Nach der Reaktion ist $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$ die korrespondierende Base von $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$. Das Oxonium-Ion ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ ist die korrespondierende Säure von Wasser.

Teilchen	Rolle	Korrespondierender Partner
$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$	Säure	$\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$
${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$	Base	${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$

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Beispiel 2: Ammoniak und Wasser

Ammoniak nimmt von Wasser ein Proton auf:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ ist die Base, ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ die Säure. Die korrespondierenden Paare sind $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}/\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$.

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Das freie Elektronenpaar am Stickstoff ermöglicht die Bindung des aufgenommenen Protons. Das entstehende Ammonium-Ion ist tetraedrisch aufgebaut.

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Korrespondierende Säure-Base-Paare

Zu jeder Säure gehört eine korrespondierende Base. Sie entsteht nach der Abgabe eines Protons. Zu jeder Base gehört eine korrespondierende Säure. Sie entsteht nach der Aufnahme eines Protons.

Säure	Korrespondierende Base	Unterschied
$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$	$\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$	ein Proton
${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$	${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$	ein Proton
$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$	$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$	ein Proton
${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$	$\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{-}}$	ein Proton

Merksatz: Zwei korrespondierende Teilchen unterscheiden sich in Formel und Ladung um genau ein ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$.

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Ampholyte

Ein Ampholyt kann je nach Reaktionspartner als Säure oder als Base reagieren. Wasser ist das wichtigste Beispiel.

Gegenüber Chlorwasserstoff nimmt Wasser ein Proton auf und wirkt als Base:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Gegenüber Ammoniak gibt Wasser ein Proton ab und wirkt als Säure:

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Weitere Ampholyte sind unter anderem $\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{-}}$ und $\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}$. Welche Rolle ein Teilchen spielt, hängt also vom jeweiligen Reaktionspartner ab.

Autoprotolyse des Wassers

Bei der Autoprotolyse reagieren zwei Wassermoleküle miteinander. Eines wirkt als Säure, das andere als Base:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$

Dadurch sind auch in reinem Wasser geringe Mengen an Oxonium- und Hydroxid-Ionen vorhanden. Bei 25 °C gilt für das Ionenprodukt des Wassers:

${\mathrm{K}}_{\mathrm{W}}\mathrm{=}\mathrm{[}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}\mathrm{]}\mathrm{\cdot }\mathrm{[}\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}\mathrm{]}\mathrm{=}\mathrm{1}{\mathrm{0}}^{\mathrm{-}\mathrm{14}}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{\mathrm{2}}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}$

In neutralem Wasser sind die Konzentrationen gleich groß. Der pH-Wert beträgt dann bei 25 °C 7.

Datei:PHscalenolang.svg

Säure- und Basenstärke

Nicht jede Säure gibt Protonen gleich leicht ab. Starke Säuren protolysieren in Wasser weitgehend, schwache Säuren nur teilweise. Die Säurestärke wird mit der Säurekonstante ${\mathrm{K}}_{\mathrm{S}}$ oder dem $\mathrm{p}{K}_S$-Wert beschrieben:

$\mathrm{p}{K}_S=-\log K_S$

Je kleiner der $\mathrm{p}{K}_S$-Wert, desto stärker ist die Säure. Eine starke Säure besitzt eine schwache korrespondierende Base. Entsprechend gehört zu einer starken Base eine schwache korrespondierende Säure.

Bei Essigsäure stellt sich ein Gleichgewicht ein:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$

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Brønsted, Arrhenius und Lewis im Vergleich

Das Brønsted-Konzept beschreibt Protonenübertragungen. Das Arrhenius-Konzept betrachtet vor allem die Bildung von Oxonium- beziehungsweise Hydroxid-Ionen in Wasser. Das Lewis-Säure-Base-Konzept ist weiter gefasst und beschreibt die Aufnahme oder Abgabe von Elektronenpaaren.

Konzept	Säure	Base
Arrhenius	erhöht in Wasser die Konzentration von ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$	erhöht in Wasser die Konzentration von $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$
Brønsted-Lowry	Protonendonator	Protonenakzeptor
Lewis	Elektronenpaarakzeptor	Elektronenpaardonator

Datei:Acid Base Reaction Models.png

Vorgehen bei Aufgaben

1. Reaktionspartner bestimmen: Schreibe alle Edukte und Produkte mit Ladungen auf.
2. Protonenübertragung erkennen: Suche das Teilchen, das ein ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$ verliert, und das Teilchen, das es aufnimmt.
3. Rollen zuordnen: Protonenabgabe bedeutet Säure, Protonenaufnahme bedeutet Base.
4. Paare bilden: Verbinde Teilchen, die sich um genau ein Proton unterscheiden.
5. Ladungen prüfen: Die Gesamtladung muss auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Brønsted-Säure? (Ein Protonendonator) (!Ein Elektronendonator) (!Ein Hydroxidion) (!Ein Salzbildner ohne Protonenübertragung)

Was ist eine Brønsted-Base? (Ein Protonenakzeptor) (!Ein Protonendonator) (!Ein Neutronenakzeptor) (!Immer ein Hydroxidion)

Wie heißt eine Säure-Base-Reaktion mit Protonenübertragung? (Protolyse) (!Elektrolyse) (!Reduktion) (!Fällung)

Welches Teilchen ist die korrespondierende Base von HCl? (Chloridion) (!Oxoniumion) (!Hydroxidion) (!Ammoniumion)

Welches Teilchen ist die korrespondierende Säure von NH3? (Ammoniumion) (!Nitration) (!Hydroxidion) (!Chloridion)

Welche Rolle spielt Wasser bei der Reaktion mit Ammoniak? (Säure) (!Base) (!Katalysator) (!Oxidationsmittel)

Warum ist Wasser ein Ampholyt? (Es kann Protonen aufnehmen und abgeben) (!Es besteht aus zwei Elementen) (!Es ist bei Raumtemperatur flüssig) (!Es enthält ein Sauerstoffatom)

Welche beiden Teilchen bilden ein korrespondierendes Säure-Base-Paar? (H3O+ und H2O) (!HCl und NH3) (!Na+ und Cl-) (!H2O und Cl-)

Was gilt für eine starke Säure und ihre korrespondierende Base? (Die korrespondierende Base ist schwach) (!Die korrespondierende Base ist ebenfalls stark) (!Beide besitzen immer gleiche Ladungen) (!Beide enthalten immer Sauerstoff)

Welches Merkmal muss bei einer ausgeglichenen Reaktionsgleichung stimmen? (Die Gesamtladung ist auf beiden Seiten gleich) (!Die Anzahl der Stoffe ist immer gleich) (!Jedes Edukt ist ungeladen) (!Es entstehen immer Hydroxidionen)

Memory

Protonendonator	Brønsted-Säure
Protonenakzeptor	Brønsted-Base
Protolyse	Protonenübertragung
Ampholyt	Säure und Base
Oxoniumion	H3O+
Ammoniumion	NH4+
Korrespondierendes Paar	Unterschied um ein Proton

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
HCl	Säure bei der Reaktion mit Wasser
H2O	Base bei der Reaktion mit Chlorwasserstoff
NH3	Base bei der Reaktion mit Wasser
NH4+	Korrespondierende Säure von Ammoniak
OH-	Korrespondierende Base von Wasser

Kreuzworträtsel

Protolyse	Wie heißt eine Reaktion mit Protonenübertragung?
Donator	Wie nennt man einen Teilchenspender?
Akzeptor	Wie nennt man einen Teilchenempfänger?
Ampholyt	Welches Teilchen kann als Säure und Base reagieren?
Oxonium	Wie heißt das Ion H3O+?
Ammonium	Wie heißt das Ion NH4+?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Brønsted-Säure ist ein . Eine Brønsted-Base ist ein . Die Übertragung eines Protons heißt . Zwei korrespondierende Teilchen unterscheiden sich um genau ein . Wasser kann als Säure und als Base reagieren und ist daher ein . Bei der Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser entsteht das . Ammoniak nimmt ein Proton auf und bildet das . Eine starke Säure besitzt eine korrespondierende Base.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffskarte: Gestalte eine Karte mit den Begriffen Säure, Base, Donator, Akzeptor und Protolyse.
2. Teilchenpaare: Finde zu HCl, H3O+, NH4+ und H2O jeweils den korrespondierenden Partner.
3. Reaktionspfeile: Markiere in drei Reaktionsgleichungen das übertragene Proton mit einem farbigen Pfeil.
4. Erklärvideo: Nimm ein einminütiges Video auf, in dem Du die Rollen von HCl und Wasser erklärst.

Standard

1. Modellbau: Baue Modelle von NH3 und NH4+ und erkläre die Veränderung bei der Protonenaufnahme.
2. Alltagsbezug: Recherchiere ein Beispiel für eine Säure-Base-Reaktion in Haushalt, Umwelt oder Körper und ordne die Teilchen nach Brønsted zu.
3. Reaktionskarten: Entwickle ein Kartenspiel, bei dem passende korrespondierende Säure-Base-Paare gefunden werden.
4. Ampholyt-Poster: Erstelle ein Poster, das die zwei möglichen Rollen von Wasser mit Reaktionsgleichungen zeigt.

Schwer

1. Versuchsplanung: Plane einen sicheren Schulversuch, mit dem eine saure und eine basische Lösung unterschieden werden können, und begründe die Beobachtungen auf Teilchenebene.
2. Gleichgewichtsvergleich: Vergleiche die Protolyse von Salzsäure und Essigsäure in Wasser und erkläre den Unterschied mit dem chemischen Gleichgewicht.
3. Fehleranalyse: Entwickle fünf typische Fehlvorstellungen zur Brønsted-Theorie und korrigiere sie fachlich.
4. Transferaufgabe: Untersuche für HCO3-, ob es als Säure und als Base reagieren kann, und formuliere beide Reaktionsgleichungen.

Lernkontrolle

1. Rollenwechsel erklären: Erkläre, warum Wasser in einer Reaktion Base und in einer anderen Reaktion Säure sein kann.
2. Unbekannte Reaktion analysieren: Ordne in $\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$ alle Säuren, Basen und korrespondierenden Paare zu und begründe Deine Entscheidung.
3. Modellgrenzen vergleichen: Zeige an einem Beispiel, welchen zusätzlichen Reaktionstyp das Brønsted-Konzept gegenüber dem Arrhenius-Konzept beschreibt.
4. Aussage beurteilen: Bewerte die Behauptung „Jede Base enthält Hydroxidionen“ mithilfe eines passenden Gegenbeispiels.
5. Stärke übertragen: Begründe, warum die korrespondierende Base einer starken Säure nur eine geringe Protonenaufnahme-Tendenz besitzt.
6. Fehler korrigieren: Eine Schülerin schreibt $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ als typische Reaktion von Ammoniak in Wasser. Prüfe die Gleichung und formuliere eine fachlich passende Korrektur.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du

1. die Begriffe Brønsted-Säure, Brønsted-Base und Protolyse sicher verwendest,
2. Protonendonator und Protonenakzeptor in Reaktionsgleichungen erkennst,
3. korrespondierende Säure-Base-Paare korrekt bildest,
4. Ladungen und Stoffmengenverhältnisse in Gleichungen prüfst,
5. Ampholyte anhand zweier Reaktionen begründest,
6. Säure- und Basenstärke in Beziehung zu korrespondierenden Partnern setzt,
7. das Brønsted-Konzept auf unbekannte Beispiele überträgst.

Verknüpfte Lernbereiche

Brønsted-Säure-Base-Theorie - Chemie Säuren und Basen Protolyse Korrespondierende Säure-Base-Paare Ampholyt pH-Wert Chemisches Gleichgewicht Säurekonstante Lewis-Säure-Base-Konzept