Autoprotolyse des Wassers - Chemie

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

Einleitung

Auch chemisch reines Wasser enthält wenige geladene Teilchen. Der Grund ist die Autoprotolyse des Wassers: Zwei Wassermoleküle übertragen untereinander ein Proton. Dabei entstehen ein Oxoniumion und ein Hydroxidion. Die Reaktion ist die Grundlage für das Ionenprodukt, den pH-Wert und viele Rechnungen der Säure-Base-Chemie.

Die Animation zeigt ein vereinfachtes Teilchenmodell der Selbstionisation von Wasser.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die Autoprotolyse als Protonenübertragung erklären, Wasser als Ampholyt einordnen und die Reaktionsgleichung formulieren. Du kannst außerdem mit dem Ionenprodukt des Wassers rechnen, den Zusammenhang zwischen pH und pOH nutzen und erklären, warum der neutrale pH-Wert temperaturabhängig ist.

Wasser als Ampholyt

Nach der Brønsted-Säure-Base-Theorie gibt eine Säure ein Proton ab. Eine Base nimmt ein Proton auf. Wasser kann beides: Es kann als Protonendonator und als Protonenakzeptor reagieren. Deshalb ist Wasser ein Ampholyt.

Das gewinkelte Wassermolekül ist polar. Am Sauerstoffatom befinden sich freie Elektronenpaare, an die ein Proton gebunden werden kann.

Protonenübertragung

Bei der Autoprotolyse gibt ein Wassermolekül ein Proton ab. Dieses Molekül wirkt als Säure und wird zum Hydroxidion. Das zweite Wassermolekül nimmt das Proton auf. Es wirkt als Base und wird zum Oxoniumion.

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

In Wasser werden freie Protonen nicht als isolierte Teilchen betrachtet. Für Schulrechnungen schreibt man deshalb meist ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ statt ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$.

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Dynamisches Gleichgewicht

Die Reaktion läuft in beide Richtungen. Oxonium- und Hydroxidionen entstehen ständig und reagieren auch wieder zu Wasser. Ihre Konzentrationen bleiben bei gleichbleibender Temperatur konstant. Das nennt man ein dynamisches chemisches Gleichgewicht. Das Gleichgewicht liegt sehr stark auf der Seite der Wassermoleküle.

Das Ionenprodukt des Wassers

Auf die Gleichgewichtsreaktion lässt sich das Massenwirkungsgesetz anwenden:

$K=\frac{c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})\cdot c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})}{c({\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}{)}^2}$

Die Konzentration des flüssigen Wassers beträgt ungefähr $\mathrm{55,5}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$ und ändert sich in verdünnten Lösungen nur sehr wenig. Sie wird deshalb in eine neue Konstante einbezogen. So erhält man das Ionenprodukt des Wassers:

$K_{\mathrm{W}}=c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})\cdot c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})$

Bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ gilt näherungsweise:

$K_{\mathrm{W}}=\mathrm{1,0}\cdot 10^{-14}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{\mathrm{2}}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}$

In reinem Wasser entstehen Oxonium- und Hydroxidionen im Verhältnis eins zu eins. Daher gilt bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$:

$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})=\mathrm{1,0}\cdot 10^{-7}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$

Streng genommen werden für Gleichgewichtskonstanten die Aktivitäten verwendet. Für viele Schulaufgaben genügt die Rechnung mit Stoffmengenkonzentrationen.

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Rechenbeispiel

In einer Lösung beträgt die Oxoniumionenkonzentration bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$:

$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=\mathrm{1,0}\cdot 10^{-5}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$

Gesucht ist die Hydroxidionenkonzentration:

$c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})=\frac{K_{\mathrm{W}}}{c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})}$

$c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})=\frac{10^{-14}}{10^{-5}}=10^{-9}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$

Die Lösung ist sauer, weil mehr Oxoniumionen als Hydroxidionen vorhanden sind.

pH, pOH und Neutralität

Der pH-Wert beschreibt den sauren oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung. In vereinfachten Schulrechnungen gilt:

$\mathrm{p}\mathrm{H}=-\lg (c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}))$

$\mathrm{p}\mathrm{O}\mathrm{H}=-\lg (c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}))$

Bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ folgt aus dem Ionenprodukt:

$\mathrm{p}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{p}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{=}\mathrm{14}$

Zustand der Lösung	Vergleich der Konzentrationen	pH-Wert bei 25 °C
sauer	$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})>c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})$	kleiner als 7
neutral	$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})$	gleich 7
basisch	$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})<c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})$	größer als 7

Mit Universalindikatorpapier lässt sich der pH-Bereich einer Lösung grob abschätzen.

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Temperaturabhängigkeit

Das Ionenprodukt des Wassers hängt von der Temperatur ab. Deshalb ist neutral nicht bei jeder Temperatur gleichbedeutend mit pH 7. Neutral bedeutet immer:

$c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})$

Bei $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ liegt der neutrale pH-Wert ungefähr bei 7. Bei anderen Temperaturen kann der neutrale pH-Wert davon abweichen, obwohl die Lösung weiterhin neutral ist.

Bedeutung im Chemieunterricht

Die Autoprotolyse erklärt, warum sehr reines Wasser eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Sie verbindet das Teilchenmodell mit dem chemischen Gleichgewicht und bildet die Grundlage für Berechnungen zu Säure, Base, Lauge, pH und pOH.

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Merksätze

1. Wasser ist ein Ampholyt und kann Protonen abgeben oder aufnehmen.
2. Bei der Autoprotolyse entstehen Oxoniumionen und Hydroxidionen.
3. Die Reaktion ist ein dynamisches Gleichgewicht.
4. Bei 25 °C gilt näherungsweise $K_{\mathrm{W}}=10^{-14}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{\mathrm{2}}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{2}}$.
5. Eine Lösung ist neutral, wenn die Konzentrationen von Oxonium- und Hydroxidionen gleich sind.
6. Der neutrale pH-Wert ist nur bei 25 °C ungefähr 7.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was geschieht bei der Autoprotolyse des Wassers? (Zwei Wassermoleküle übertragen ein Proton) (!Wasser zerfällt vollständig in Elemente) (!Wasser bildet nur Sauerstoffmoleküle) (!Wassermoleküle nehmen Elektronen aus dem Nichts auf)

Warum wird Wasser als Ampholyt bezeichnet? (Es kann Protonen abgeben und aufnehmen) (!Es kann nur Protonen abgeben) (!Es kann nur Protonen aufnehmen) (!Es reagiert nie als Säure oder Base)

Welche Teilchen entstehen bei der Autoprotolyse? (Oxoniumionen und Hydroxidionen) (!Natriumionen und Chloridionen) (!Sauerstoff und Wasserstoff) (!Elektronen und Neutronen)

Welches Zeichen steht in der Reaktionsgleichung für das chemische Gleichgewicht? (Ein Doppelpfeil) (!Ein Gleichheitszeichen) (!Ein Pluszeichen) (!Ein senkrechter Strich)

Welchen Wert hat das Ionenprodukt des Wassers bei 25 Grad Celsius näherungsweise? (10 hoch minus 14) (!10 hoch plus 14) (!7) (!55)

Wann ist eine wässrige Lösung neutral? (Wenn die Konzentrationen von Oxonium- und Hydroxidionen gleich sind) (!Wenn keine Wassermoleküle vorhanden sind) (!Wenn nur Oxoniumionen vorhanden sind) (!Wenn der pH-Wert bei jeder Temperatur genau 7 ist)

Welche Beziehung gilt bei 25 Grad Celsius? (pH plus pOH ist 14) (!pH mal pOH ist 14) (!pH minus pOH ist immer 7) (!pH und pOH sind immer gleich)

Welche Hydroxidionenkonzentration gehört bei 25 Grad Celsius zu einer Oxoniumionenkonzentration von 10 hoch minus 5 Mol pro Liter? (10 hoch minus 9 Mol pro Liter) (!10 hoch minus 5 Mol pro Liter) (!10 hoch plus 9 Mol pro Liter) (!10 hoch minus 14 Mol pro Liter)

Welche Aussage zur Temperatur ist richtig? (Das Ionenprodukt des Wassers ist temperaturabhängig) (!Der neutrale pH-Wert ist bei jeder Temperatur genau 7) (!Die Autoprotolyse findet nur bei 25 Grad Celsius statt) (!Die Temperatur beeinflusst chemische Gleichgewichte nie)

Warum leitet sehr reines Wasser elektrischen Strom nur schwach? (Es enthält durch Autoprotolyse wenige Ionen) (!Es enthält überhaupt keine beweglichen Teilchen) (!Es besteht ausschließlich aus Metallionen) (!Es bildet dauerhaft große Mengen Salz)

Memory

Autoprotolyse	Protonenübertragung zwischen gleichartigen Molekülen
Oxoniumion	H3O+
Hydroxidion	OH-
Ampholyt	Teilchen mit Säure- und Basenfunktion
Ionenprodukt	Produkt der beiden Ionenkonzentrationen
Neutralpunkt	gleiche Konzentration beider Ionenarten

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Autoprotolyse des Wassers
Oxoniumion	H3O+
Hydroxidion	OH-
Wasser als Säure	Protonendonator
Wasser als Base	Protonenakzeptor
Ionenprodukt	Produkt der Ionenkonzentrationen

Kreuzworträtsel

Ampholyt	Wie heißt ein Stoff, der als Säure und als Base reagieren kann?
Oxonium	Welcher Name gehört zum positiv geladenen H3O-Ion?
Hydroxid	Welcher Name gehört zum negativ geladenen OH-Ion?
Proton	Welches Teilchen wird bei einer Brønsted-Reaktion übertragen?
Gleichgewicht	Wie heißt der Zustand mit gleichbleibenden Konzentrationen bei weiterlaufender Hin- und Rückreaktion?
Ionenprodukt	Wie heißt das Produkt aus Oxoniumionen- und Hydroxidionenkonzentration?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Wasser kann als Säure und als Base reagieren und ist deshalb ein . Bei der Autoprotolyse wird ein zwischen zwei Wassermolekülen übertragen. Das protonenabgebende Wassermolekül wird zum . Das protonenaufnehmende Wassermolekül wird zum . Die Reaktion ist ein dynamisches chemisches . Das Produkt der beiden Ionenkonzentrationen heißt . Bei 25 Grad Celsius beträgt sein Wert näherungsweise . Reines Wasser enthält Oxonium- und Hydroxidionen in Konzentration. Bei 25 Grad Celsius hat neutrales Wasser ungefähr den pH-Wert . Der neutrale pH-Wert kann sich mit der verändern.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Teilchenmodell: Zeichne zwei Wassermoleküle vor und nach der Protonenübertragung. Kennzeichne Säure, Base, Oxoniumion und Hydroxidion.
2. Begriffskarte: Gestalte eine kleine Begriffskarte mit Autoprotolyse, Ampholyt, Proton, Oxoniumion und Hydroxidion.
3. Erklärtext: Erkläre in fünf Sätzen, warum Wasser bei der Autoprotolyse zugleich Säure und Base ist.
4. Reaktionsgleichung: Schreibe die Reaktionsgleichung auf und erläutere die Bedeutung des Doppelpfeils.

Standard

1. Rechenaufgabe: Berechne bei 25 °C die Hydroxidionenkonzentration für $c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=10^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$ und ordne die Lösung ein.
2. pH-Vergleich: Vergleiche eine saure, eine neutrale und eine basische Lösung auf Teilchenebene.
3. Experimentplanung: Plane eine sichere Untersuchung verschiedener Haushaltslösungen mit Universalindikator. Verwende Schutzbrille und beachte die Hinweise der Lehrkraft.
4. Lernvideo: Produziere ein einminütiges Erklärvideo zum Zusammenhang zwischen Autoprotolyse und Ionenprodukt.

Schwer

1. Temperaturabhängigkeit: Erkläre, warum neutrales Wasser bei erhöhter Temperatur einen pH-Wert unter 7 haben kann und trotzdem neutral ist.
2. Massenwirkungsgesetz: Leite das Ionenprodukt aus dem Massenwirkungsgesetz her und begründe, warum die Wasserkonzentration in die Konstante einbezogen wird.
3. Modellkritik: Untersuche eine Darstellung der Autoprotolyse und beschreibe, welche Vorgänge sie gut zeigt und welche sie vereinfacht.
4. Forschungsauftrag: Entwickle eine Fragestellung zur elektrischen Leitfähigkeit von reinem Wasser und beschreibe einen möglichen Versuchsaufbau samt Fehlerquellen.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene und Stoffebene: Erkläre, wie die geringe elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser mit der Autoprotolyse zusammenhängt.
2. Gleichgewichtsverschiebung: Einer Lösung wird Säure zugesetzt. Beschreibe mithilfe des Ionenprodukts, wie sich die Hydroxidionenkonzentration verändert.
3. Rechenweg beurteilen: Eine Person behauptet, bei $c({\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}})=10^{-3}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$ sei $c(\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}})=10^{-11}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$. Prüfe und begründe.
4. Neutralität: Widerlege die Aussage „Neutral bedeutet immer pH 7“ mit einem fachlich passenden Argument.
5. Darstellungswechsel: Übertrage die Reaktionsgleichung der Autoprotolyse in eine beschriftete Teilchenzeichnung und erkläre beide Darstellungen.
6. Transfer: Vergleiche die Rolle des Wassers bei der Autoprotolyse mit seiner Rolle bei der Reaktion einer Säure mit Wasser.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du die Protonenübertragung fachsprachlich erklären, die Reaktionsgleichung sicher aufstellen und Wasser als Ampholyt begründen kannst. Wichtig sind außerdem die Anwendung des Ionenprodukts, einfache pH- und pOH-Rechnungen, die Unterscheidung von sauer, neutral und basisch sowie die Erklärung der Temperaturabhängigkeit des Neutralpunkts. Ein guter Lernnachweis verbindet Formeln, Teilchenmodell und beobachtbare Eigenschaften.

Verknüpfte Lernbereiche

Autoprotolyse des Wassers - Chemie Brønsted-Säure-Base-Theorie Ampholyt Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Ionenprodukt PH-Wert Oxonium Hydroxidion