Korrespondierende Säure-Base-Paare - Chemie

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

Einleitung

Bei einer Säure-Base-Reaktion nach Brønsted und Lowry wird ein Proton übertragen. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt es auf. Aus der Säure entsteht dadurch ihre korrespondierende Base. Aus der Base entsteht ihre korrespondierende Säure.

Merksatz: Ein korrespondierendes Säure-Base-Paar unterscheidet sich genau um ein Proton ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du Säuren und Basen nach Brønsted bestimmen, korrespondierende Paare erkennen, Protonenübergänge erklären und einfache Protolysegleichungen aufstellen. Außerdem kannst Du die besondere Rolle von Wasser als Ampholyt beschreiben.

Grundlagen

Das Brønsted-Lowry-Modell

Eine Brønsted-Säure ist ein Protonendonator. Sie kann ein Proton abgeben. Eine Brønsted-Base ist ein Protonenakzeptor. Sie kann ein Proton aufnehmen. Die Protonenübertragung heißt Protolyse.

Allgemein gilt:

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

Dabei bilden $\mathrm{H}\mathrm{A}/{\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$ sowie $\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}/\mathrm{B}$ jeweils ein korrespondierendes Säure-Base-Paar.

Teilchen vor der Reaktion	Aufgabe	Teilchen nach der Reaktion
Säure $\mathrm{H}\mathrm{A}$	gibt ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$ ab	korrespondierende Base ${\mathrm{A}}^{\mathrm{-}}$
Base $\mathrm{B}$	nimmt ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$ auf	korrespondierende Säure $\mathrm{H}{\mathrm{B}}^{\mathrm{+}}$

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Historischer Hintergrund

Johannes Nicolaus Brønsted und Thomas Martin Lowry formulierten 1923 unabhängig voneinander ein Säure-Base-Konzept, das den Protonenübergang in den Mittelpunkt stellt.

So erkennst Du korrespondierende Paare

1. Suche das Proton, das während der Reaktion übertragen wird.
2. Bestimme das Teilchen, das dieses Proton abgibt. Es ist die Säure.
3. Entferne gedanklich ein ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$. Das entstehende Teilchen ist die korrespondierende Base.
4. Bestimme das Teilchen, das das Proton aufnimmt. Es ist die Base.
5. Ergänze gedanklich ein ${\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$. Das entstehende Teilchen ist die korrespondierende Säure.

Ladungsregel: Gibt ein Teilchen ein Proton ab, wird seine Ladung um eins negativer. Nimmt es ein Proton auf, wird seine Ladung um eins positiver.

Typische Beispiele

Salzsäure und Wasser

Salzsäure überträgt ein Proton auf Wasser:

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

Die Paare sind:

1. $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}/\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$: Salzsäure und Chloridion
2. ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$: Oxoniumion und Wasser

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Ammoniak und Wasser

Ammoniak nimmt von Wasser ein Proton auf:

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

Die Paare sind $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}/\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$. Hier wirkt Wasser als Säure, weil es ein Proton abgibt.

Essigsäure und Wasser

Essigsäure gibt ein Proton an Wasser ab:

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

Die Paare sind $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}/\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{\mathrm{-}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$. Da Essigsäure eine schwache Säure ist, stellt sich ein Gleichgewicht ein.

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Wasser als Ampholyt

Ein Ampholyt kann Protonen aufnehmen und abgeben. Wasser kann deshalb je nach Reaktionspartner als Säure oder als Base reagieren.

Bei der Autoprotolyse des Wassers überträgt ein Wassermolekül ein Proton auf ein zweites:

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

Dabei entstehen die Paare ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$.

Mehrprotonige Säuren

Mehrprotonige Säuren können mehrere Protonen schrittweise abgeben. Bei der Phosphorsäure entstehen nacheinander drei korrespondierende Paare:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}$

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}/\mathrm{H}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$

$\mathrm{H}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}/\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}\mathrm{-}}$

Die Teilchen ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}$ und $\mathrm{H}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$ können jeweils Protonen aufnehmen und abgeben. Sie sind daher Ampholyte.

Säure- und Basenstärke

Bei einem korrespondierenden Paar gilt: Je stärker die Säure ist, desto schwächer ist ihre korrespondierende Base. Umgekehrt gehört zu einer starken Base eine schwache korrespondierende Säure.

Eine Protolyse verläuft bevorzugt in Richtung der schwächeren Säure und der schwächeren Base. Für ein korrespondierendes Paar in Wasser gilt bei 25 °C näherungsweise:

$\mathrm{p}{\mathrm{K}}_{\mathrm{S}}\mathrm{+}\mathrm{p}{\mathrm{K}}_{\mathrm{B}}\mathrm{=}\mathrm{p}{\mathrm{K}}_{\mathrm{W}}\mathrm{=}\mathrm{14}$

Diese Beziehung ist eine Vertiefung und wird vor allem in der Oberstufe verwendet.

Häufige Fehler

1. Zwei korrespondierende Teilchen müssen sich genau um ein Proton unterscheiden.
2. Die Atomsorten außer Wasserstoff bleiben gleich.
3. Beim Abgeben eines Protons wird die Ladung um eins negativer.
4. Säure und Base sind Rollen in einer Reaktion. Dasselbe Teilchen kann in einer anderen Reaktion eine andere Rolle übernehmen.
5. In einer vollständigen Protolysegleichung wird das Proton direkt übertragen; es steht nicht als dauerhaft freies Teilchen in der Lösung.

Bedeutung im Alltag und in der Technik

Korrespondierende Säure-Base-Paare sind die Grundlage von Puffersystemen. Solche Systeme begrenzen Änderungen des pH-Werts. Beispiele sind das Paar Kohlensäure/Hydrogencarbonat und das Paar Essigsäure/Acetat.

Auch die Reaktion von Essig mit Natriumhydrogencarbonat beginnt mit einer Protonenübertragung. Danach entsteht Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht.

Datei:025 Sodium bicarbonate mixed with Vinegar (slow motion) Video by Giles Laurent.webm

Zusammenfassung

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

Kernidee: Eine Säure wird durch Protonenabgabe zu ihrer korrespondierenden Base. Eine Base wird durch Protonenaufnahme zu ihrer korrespondierenden Säure.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Brønsted-Säure? (Ein Protonendonator) (!Ein Elektronendonator) (!Ein Protonenakzeptor) (!Ein Neutronenakzeptor)

Wodurch unterscheiden sich korrespondierende Säure-Base-Partner? (Durch genau ein Proton) (!Durch genau ein Elektron) (!Durch ein Sauerstoffatom) (!Durch ihre gesamte Molekülstruktur)

Welche korrespondierende Base entsteht aus HCl? (Cl⁻) (!H₃O⁺) (!OH⁻) (!NH₄⁺)

Welche korrespondierende Säure gehört zu NH₃? (NH₄⁺) (!NH₂⁻) (!H₃O⁺) (!NO₃⁻)

Welche Paare treten bei NH₃ und H₂O auf? (NH₄⁺ und NH₃ sowie H₂O und OH⁻) (!NH₃ und OH⁻ sowie NH₄⁺ und H₂O) (!NH₄⁺ und OH⁻ sowie NH₃ und H₂O) (!H₃O⁺ und NH₃ sowie H₂O und NH₄⁺)

Warum kann Wasser als Ampholyt bezeichnet werden? (Es kann Protonen aufnehmen und abgeben) (!Es kann nur Protonen aufnehmen) (!Es kann nur Protonen abgeben) (!Es enthält keine Wasserstoffatome)

Welche korrespondierende Base gehört zu H₂PO₄⁻? (HPO₄²⁻) (!H₃PO₄) (!PO₄³⁻) (!H₃O⁺)

Wie verändert sich die Ladung bei der Aufnahme eines Protons? (Sie wird um eins positiver) (!Sie wird um eins negativer) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird automatisch neutral)

Welche Aussage zur Stärke korrespondierender Partner ist richtig? (Zu einer starken Säure gehört eine schwache korrespondierende Base) (!Zu einer starken Säure gehört immer eine starke Base) (!Säure- und Basenstärke sind unabhängig) (!Zu einer schwachen Säure gehört keine Base)

Was geschieht bei einer Protolyse? (Ein Proton wird zwischen zwei Teilchen übertragen) (!Ein Elektron wird vollständig entfernt) (!Ein Atomkern wird gespalten) (!Ein Salz verdampft)

Memory

HCl	Cl⁻
NH₄⁺	NH₃
CH₃COOH	CH₃COO⁻
H₃O⁺	H₂O
HSO₄⁻	SO₄²⁻
H₂PO₄⁻	HPO₄²⁻

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Korrespondierender Partner
HCl	Cl⁻
NH₃	NH₄⁺
CH₃COOH	CH₃COO⁻
OH⁻	H₂O
H₂PO₄⁻	HPO₄²⁻
HCO₃⁻	H₂CO₃

Kreuzworträtsel

Protonendonator	Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton abgibt?
Protonenakzeptor	Wie heißt ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt?
Protolyse	Wie heißt eine Reaktion mit Protonenübertragung?
Ampholyt	Wie heißt ein Teilchen, das als Säure und als Base reagieren kann?
Oxoniumion	Welches Ion entsteht, wenn Wasser ein Proton aufnimmt?
Chloridion	Welche korrespondierende Base entsteht aus Salzsäure?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Nach Brønsted ist eine Säure ein . Eine Base ist ein . Zwei korrespondierende Partner unterscheiden sich genau um . Nach der Protonenabgabe entsteht aus einer Säure ihre . Durch Protonenaufnahme wird eine Base zu ihrer . Die Übertragung eines Protons heißt . Wasser kann als Säure und als Base reagieren und ist deshalb ein . Aus Ammoniak entsteht durch Protonenaufnahme das . Aus Essigsäure entsteht durch Protonenabgabe das . Zu einer starken Säure gehört eine .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Protonenmodell: Stelle mit zwei Karten und einem kleinen Gegenstand als Proton dar, wie eine Säure ein Proton an eine Base überträgt.
2. Formelkarten: Gestalte sechs Kartenpaare mit einer Säure auf der Vorderseite und ihrer korrespondierenden Base auf der Rückseite.
3. Reaktionsgleichung: Markiere in drei Protolysegleichungen Säuren, Basen und die übertragenen Protonen mit selbst gewählten Symbolen.
4. Erklärtext: Schreibe eine kurze Erklärung für jüngere Lernende, warum HCl und Cl⁻ ein korrespondierendes Paar bilden.

Standard

1. Ampholyt Wasser: Erstelle ein Schaubild, das Wasser einmal als Säure und einmal als Base zeigt.
2. Experiment Essig und Natriumhydrogencarbonat: Plane einen sicheren Schulversuch, beschreibe Beobachtung und Protonenübertragung und beachte die Anweisungen der Lehrkraft.
3. Lernvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, in dem Du die Paare der Reaktion von Ammoniak mit Wasser erklärst.
4. Fehleranalyse: Erfinde vier typische Fehler beim Zuordnen korrespondierender Paare und formuliere jeweils eine verständliche Korrektur.

Schwer

1. Säurestärke: Nutze eine pKₛ-Tabelle und begründe für zwei Reaktionen, auf welcher Seite das Gleichgewicht bevorzugt liegt.
2. Puffersystem: Entwickle ein Modell zum Paar Essigsäure/Acetat und erkläre, wie es kleine Mengen zugegebener Säure oder Base abfängt.
3. Mehrprotonige Säure: Erstelle eine Concept-Map zu den drei Protolyse-Stufen der Phosphorsäure und kennzeichne alle Ampholyte.
4. Digitale Lernstation: Entwirf eine interaktive Lernstation mit Erklärbild, Aufgabe, Rückmeldung und Transferfrage zu korrespondierenden Säure-Base-Paaren.

Lernkontrolle

1. Unbekannte Protolyse: Bestimme in der Reaktion $\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ alle Rollen und Paare und begründe jede Zuordnung über den Protonenübergang.
2. Fehler korrigieren: Eine Person behauptet, $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ seien ein korrespondierendes Paar. Widerlege die Aussage mit zwei Kriterien.
3. Rollenwechsel: Erkläre anhand zweier verschiedener Reaktionen, warum Wasser einmal als Säure und einmal als Base wirken kann.
4. Reaktion entwickeln: Formuliere aus den Paaren $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}/\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$ und ${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}/\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{-}}$ eine vollständige Protolysegleichung.
5. Gleichgewicht deuten: Leite aus dem Grundsatz „starke Säure, schwache korrespondierende Base“ ab, warum Chloridionen in Wasser nur sehr schwach basisch reagieren.
6. Transfer zum Puffer: Beschreibe auf Teilchenebene, wie ein Gemisch aus Essigsäure und Acetat auf eine kleine Zugabe von ${\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}^{\mathrm{+}}$ reagiert.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. Säuren und Basen nach Brønsted über ihre Funktion bestimmst,
2. korrespondierende Partner anhand eines Protons und der Ladung erkennst,
3. Protolysegleichungen korrekt formulierst und ausgleichst,
4. die Rolle von Wasser als Ampholyt erklärst,
5. mehrprotonige Säuren schrittweise untersuchst,
6. Zusammenhänge zwischen Säurestärke und Basenstärke begründest,
7. das Modell auf unbekannte Reaktionen und Puffersysteme überträgst.

Verknüpfte Lernbereiche

Korrespondierende Säure-Base-Paare - Chemie Säure-Base-Reaktion Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie Protolyse Protonendonator Protonenakzeptor Ampholyt Chemisches Gleichgewicht Säurekonstante Basenkonstante Puffer