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Säure-Base-Chemie: Brönsted, Arrhenius und Neutralisation

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Säure-Base-Chemie: Brönsted, Arrhenius und Neutralisation
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Die Säure-Base-Chemie ist ein fundamentales Konzept der anorganischen Chemie, das die Reaktionen zwischen Säuren und Basen beschreibt.

• Die säure-base-theorie nach arrhenius bildet die historische Grundlage für das Verständnis von Säuren und Basen
Brönsted-Säuren und Brönsted-Basen erweitern das Konzept durch das Protonen-Donator-Akzeptor-Modell
• Die Säure-Base-Reaktion führt zur Bildung von korrespondierenden Säure-Base-Paaren
Neutralisation ist ein wichtiger Spezialfall der Säure-Base-Reaktionen
• Das Donator-Akzeptor-Prinzip erklärt den Mechanismus des Protonentransfers

17.8.2022

8215

•Säure-Base-Chemic
Historischer Säurehbegriff nach Arrhenius
Säuren sind Stoffe, deren Teilchen HA in wässriger Lösung zu Wasserstoffionen H

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Experiment: Neutralisation als Reaktion der Säuren und Basen

Dieses Experiment demonstriert die Neutralisation zwischen Salzsäure (HCl) und Natronlauge (NaOH). Bei der Durchführung wird 1 ml HCl so lange mit NaOH vermischt, bis die Lösung neutral ist, was mit einem Unitest überprüft wird.

Beispiel: HCl + NaOH → H₂O + NaCl

Die Beobachtung zeigt zunächst eine rote Färbung, die sich dann zu Grün ändert. Dies deutet auf die Bildung von neutralem Wasser (pH-Wert 7) hin.

Highlight: Die Neutralisation ist eine exotherme Reaktion, bei der Säure und Base zu Salz und Wasser reagieren.

Ein weiteres Experiment zeigt die Reaktion von Ammoniak mit Wasser:

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

Hier zeigt sich, dass die Arrhenius-Theorie an ihre Grenzen stößt und eine neue Theorie (Brönsted-Theorie) notwendig wird.

Vocabulary: Protolyse - Übergang von Protonen zwischen Teilchen in einer Säure-Base-Reaktion.

•Säure-Base-Chemic
Historischer Säurehbegriff nach Arrhenius
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Historischer Säurebegriff nach Arrhenius

Die Säure-Base-Theorie nach Arrhenius bildet die Grundlage für das Verständnis von Säuren und Basen. Arrhenius definierte Säuren als Stoffe, deren Teilchen HA in wässriger Lösung zu Wasserstoffionen H+ und Säurerestionen A- dissoziieren.

Beispiel: HCl → H+ + Cl-

Basen sind nach Arrhenius Stoffe, deren Teilchen MeOH in wässriger Lösung zu Metallionen Me+ und Hydroxidionen OH- dissoziieren.

Beispiel: NaOH → Na+ + OH-

Diese Theorie erklärt die elektrische Leitfähigkeit von Säuren und Basen in wässriger Lösung. Allerdings hat sie auch Schwächen, da sie keine Aussage über die Struktur des hydratisierten Wasserstoffions liefert und das basische Reaktionsverhalten von Ammoniak nicht erklärt.

Highlight: Die Arrhenius-Theorie bildet die Grundlage für das Verständnis von Säuren und Basen, hat aber Einschränkungen bei der Erklärung komplexerer Reaktionen.

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Historischer Säurehbegriff nach Arrhenius
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Protolyse mehrprotoniger Säuren

Mehrprotonige Säuren durchlaufen schrittweise Protolyse-Reaktionen, bei denen sie nacheinander Protonen abgeben. Dies führt zu einer Reihe von Zwischenprodukten und korrespondierenden Säure-Base-Paaren.

  1. Schwefelwasserstoff (H₂S): H₂S + H₂O ⇌ HS⁻ + H₃O⁺ HS⁻ + H₂O ⇌ S²⁻ + H₃O⁺

  2. Schwefelsäure (H₂SO₄): H₂SO₄ + H₂O ⇌ HSO₄⁻ + H₃O⁺ HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺

  3. Kohlensäure (H₂CO₃): H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H₃O⁺ HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺

  4. Phosphorsäure (H₃PO₄): H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + H₃O⁺ H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺ HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ PO₄³⁻ + H₃O⁺

Vocabulary:

  • Hydrogensulfid (HS⁻)
  • Sulfid (S²⁻)
  • Hydrogensulfat (HSO₄⁻)
  • Sulfation (SO₄²⁻)
  • Hydrogencarbonat (HCO₃⁻)
  • Carbonat (CO₃²⁻)
  • Dihydrogenphosphat (H₂PO₄⁻)
  • Hydrogenphosphat (HPO₄²⁻)
  • Phosphat (PO₄³⁻)

Highlight: Die schrittweise Protolyse mehrprotoniger Säuren führt zu einer Reihe von Zwischenprodukten, die als Puffersysteme in biologischen und chemischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen.

Diese Reaktionen zeigen die Komplexität der Säure-Base-Chemie und die Vielfalt der möglichen Reaktionsprodukte bei mehrprotonigen Säuren.

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Historischer Säurehbegriff nach Arrhenius
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Das Wesen der Säure-Base-Reaktion am Beispiel der Protolyse von Ameisensäure

Die Protolyse von Ameisensäure in wässriger Lösung demonstriert das Wesen einer Säure-Base-Reaktion:

HCOOH + H₂O ⇌ HCOO⁻ + H₃O⁺

In dieser Reaktion:

  • Ameisensäure (HCOOH) fungiert als Brönsted-Säure (Protonendonator)
  • Wasser (H₂O) fungiert als Brönsted-Base (Protonenakzeptor)
  • Es bilden sich Formiat-Ionen (HCOO⁻) und Hydronium-Ionen (H₃O⁺)

Highlight: Die korrespondierenden Säure-Base-Paare sind HCOOH/HCOO⁻ und H₂O/H₃O⁺.

Diese Reaktion veranschaulicht den Protonenübergang, der charakteristisch für Säure-Base-Reaktionen nach Brönsted ist.

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Donator-Akzeptor-Reaktionen und Ampholyte

Das Donator-Akzeptor-Prinzip ist grundlegend für das Verständnis von Säure-Base-Reaktionen. Es unterscheidet zwischen Donator-Reaktionen (Säurereaktionen) und Akzeptor-Reaktionen (Basenreaktionen).

Definition: Ampholyte sind Moleküle oder Ionen, die sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben können.

Beispiele für Ampholyte sind:

  • H₂O
  • NH₃
  • HCO₃⁻
  • HPO₄²⁻
  • H₂PO₄⁻
  • HSO₄⁻

Diese Substanzen können je nach Reaktionspartner als Säure oder Base fungieren, was ihre Vielseitigkeit in chemischen Reaktionen zeigt.

Highlight: Das Verständnis von Ampholyten ist entscheidend für die Analyse komplexer Säure-Base-Gleichgewichte in biologischen und chemischen Systemen.

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Säure-Base-Begriff nach Brönsted

Die Brönsted-Theorie erweitert das Verständnis von Säuren und Basen durch das Donator-Akzeptor-Prinzip. Nach Brönsted ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor.

Definition: Brönsted-Säuren sind Teilchen, die Protonen abgeben können, während Brönsted-Basen Protonen aufnehmen können.

Die Säure-Base-Reaktion wird als Protolyse bezeichnet, bei der ein Proton von einer Säure auf eine Base übergeht:

HA + B ⇌ A⁻ + HB⁺

Highlight: Korrespondierende Säure-Base-Paare sind ein zentrales Konzept der Brönsted-Theorie.

Ein wichtiger Aspekt der Brönsted-Theorie ist, dass Säuren und Basen nicht mehr als Stoffklassen, sondern als Funktionen von Teilchen betrachtet werden. Ihr Verhalten wird vom Reaktionspartner mitbestimmt.

Beispiel: NH₃ + HCl ⇌ NH₄⁺ + Cl⁻

In diesem Beispiel fungiert NH₃ als Base und HCl als Säure. Die korrespondierenden Säure-Base-Paare sind NH₃/NH₄⁺ und HCl/Cl⁻.

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Die Säure-Base-Chemie ist ein fundamentales Konzept der anorganischen Chemie, das die Reaktionen zwischen Säuren und Basen beschreibt.

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Brönsted-Säuren und Brönsted-Basen erweitern das Konzept durch das Protonen-Donator-Akzeptor-Modell
• Die Säure-Base-Reaktion führt zur Bildung von korrespondierenden Säure-Base-Paaren
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Beispiel: HCl + NaOH → H₂O + NaCl

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Highlight: Die Neutralisation ist eine exotherme Reaktion, bei der Säure und Base zu Salz und Wasser reagieren.

Ein weiteres Experiment zeigt die Reaktion von Ammoniak mit Wasser:

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

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Basen sind nach Arrhenius Stoffe, deren Teilchen MeOH in wässriger Lösung zu Metallionen Me+ und Hydroxidionen OH- dissoziieren.

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Protolyse mehrprotoniger Säuren

Mehrprotonige Säuren durchlaufen schrittweise Protolyse-Reaktionen, bei denen sie nacheinander Protonen abgeben. Dies führt zu einer Reihe von Zwischenprodukten und korrespondierenden Säure-Base-Paaren.

  1. Schwefelwasserstoff (H₂S): H₂S + H₂O ⇌ HS⁻ + H₃O⁺ HS⁻ + H₂O ⇌ S²⁻ + H₃O⁺

  2. Schwefelsäure (H₂SO₄): H₂SO₄ + H₂O ⇌ HSO₄⁻ + H₃O⁺ HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺

  3. Kohlensäure (H₂CO₃): H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H₃O⁺ HCO₃⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H₃O⁺

  4. Phosphorsäure (H₃PO₄): H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + H₃O⁺ H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺ HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ PO₄³⁻ + H₃O⁺

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  • Hydrogenphosphat (HPO₄²⁻)
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Highlight: Die schrittweise Protolyse mehrprotoniger Säuren führt zu einer Reihe von Zwischenprodukten, die als Puffersysteme in biologischen und chemischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen.

Diese Reaktionen zeigen die Komplexität der Säure-Base-Chemie und die Vielfalt der möglichen Reaktionsprodukte bei mehrprotonigen Säuren.

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Das Wesen der Säure-Base-Reaktion am Beispiel der Protolyse von Ameisensäure

Die Protolyse von Ameisensäure in wässriger Lösung demonstriert das Wesen einer Säure-Base-Reaktion:

HCOOH + H₂O ⇌ HCOO⁻ + H₃O⁺

In dieser Reaktion:

  • Ameisensäure (HCOOH) fungiert als Brönsted-Säure (Protonendonator)
  • Wasser (H₂O) fungiert als Brönsted-Base (Protonenakzeptor)
  • Es bilden sich Formiat-Ionen (HCOO⁻) und Hydronium-Ionen (H₃O⁺)

Highlight: Die korrespondierenden Säure-Base-Paare sind HCOOH/HCOO⁻ und H₂O/H₃O⁺.

Diese Reaktion veranschaulicht den Protonenübergang, der charakteristisch für Säure-Base-Reaktionen nach Brönsted ist.

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Donator-Akzeptor-Reaktionen und Ampholyte

Das Donator-Akzeptor-Prinzip ist grundlegend für das Verständnis von Säure-Base-Reaktionen. Es unterscheidet zwischen Donator-Reaktionen (Säurereaktionen) und Akzeptor-Reaktionen (Basenreaktionen).

Definition: Ampholyte sind Moleküle oder Ionen, die sowohl Protonen aufnehmen als auch abgeben können.

Beispiele für Ampholyte sind:

  • H₂O
  • NH₃
  • HCO₃⁻
  • HPO₄²⁻
  • H₂PO₄⁻
  • HSO₄⁻

Diese Substanzen können je nach Reaktionspartner als Säure oder Base fungieren, was ihre Vielseitigkeit in chemischen Reaktionen zeigt.

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Die Brönsted-Theorie erweitert das Verständnis von Säuren und Basen durch das Donator-Akzeptor-Prinzip. Nach Brönsted ist eine Säure ein Protonendonator und eine Base ein Protonenakzeptor.

Definition: Brönsted-Säuren sind Teilchen, die Protonen abgeben können, während Brönsted-Basen Protonen aufnehmen können.

Die Säure-Base-Reaktion wird als Protolyse bezeichnet, bei der ein Proton von einer Säure auf eine Base übergeht:

HA + B ⇌ A⁻ + HB⁺

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Ein wichtiger Aspekt der Brönsted-Theorie ist, dass Säuren und Basen nicht mehr als Stoffklassen, sondern als Funktionen von Teilchen betrachtet werden. Ihr Verhalten wird vom Reaktionspartner mitbestimmt.

Beispiel: NH₃ + HCl ⇌ NH₄⁺ + Cl⁻

In diesem Beispiel fungiert NH₃ als Base und HCl als Säure. Die korrespondierenden Säure-Base-Paare sind NH₃/NH₄⁺ und HCl/Cl⁻.

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