15.1:

15.1: Bronsted-Lowry Säuren und Basen

Name: Bronsted-Lowry Säuren und Basen
Uploaded: 2020-09-24T15:06:51+00:00
Duration: 2 min 58 s
Description: Die Säure-Base-Reaktionsklasse wird schon seit geraumer Zeit untersucht. Im Jahr 1680 berichtete Robert Boyle über Eigenschaften von sauren Lösungen, zu denen ihre Fähigkeit gehörte, viele Substa

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Bronsted-Lowry Acids and Bases

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15.2: Acid/Base Strengths and Dissociation Constants

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02:58 min

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September 24, 2020

Die Säure-Base-Reaktionsklasse wird schon seit geraumer Zeit untersucht. Im Jahr 1680 berichtete Robert Boyle über Eigenschaften von sauren Lösungen, zu denen ihre Fähigkeit gehörte, viele Substanzen aufzulösen, die Farben bestimmter natürlicher Farbstoffe zu verändern und diese Eigenschaften nach dem Kontakt mit alkalischen (basen) Lösungen zu verlieren. Im 18. Jahrhundert erkannte man, dass Säuren einen sauren Geschmack haben, mit Kalkstein reagieren, um eine gasförmige Substanz (heute als CO₂ bekannt) freizusetzen, und mit Laugen interagieren, um neutrale Substanzen zu bilden. Humphry Davy trug 1815 wesentlich zur Entwicklung des modernen Säure-Base-Konzepts bei, indem er zeigte, dass Wasserstoff der wesentliche Bestandteil von Säuren ist. Etwa zur gleichen Zeit kam Joseph Louis Gay-Lussac zu dem Schluss, dass Säuren Substanzen sind, die Basen neutralisieren können, und dass diese beiden Klassen von Substanzen nur in Bezug auf einander definiert werden können. Die Bedeutung von Wasserstoff wurde 1884 erneut betont, als Svante Arrhenius eine Säure als eine Verbindung definierte, die sich in Wasser auflöst, um Wasserstoffkationen (heute als Hydroniumionen anerkannt) zu erhalten, und eine Base als eine Verbindung, die sich in Wasser auflöst, um Hydroxid-Anionen zu erhalten.

Brønsted-Lowry Säuren und Basen

Johannes Brønsted und Thomas Lowry schlugen 1923 eine allgemeinere Beschreibung vor, in der Säuren und Basen in Bezug auf den Transfer von Wasserstoffionen, H⁺, definiert wurden. (Beachten Sie, dass diese Wasserstoffionen oft einfach als Protonen bezeichnet werden, da dieses subatomare Teilchen die einzige Komponente von Kationen ist, die von dem am häufigsten vorkommenden Wasserstoffisotop, ¹H, abgeleitet sind.) Eine Verbindung, die ein Proton an eine andere Verbindung abgibt, wird als Brønsted-Lowry-Säure bezeichnet, und eine Verbindung, die ein Proton akzeptiert, wird als Brønsted-Lowry-Base bezeichnet. Eine Säure-Base-Reaktion ist also die Übertragung eines Protons von einem Donor (Säure) auf einen Akzeptor (Base).

Das Konzept der konjugierten Paare ist nützlich bei der Beschreibung von Brønsted-Lowry-Säure-Base-Reaktionen (und auch anderer reversibler Reaktionen). Wenn eine Säure H⁺ spendet, wird die verbleibende Spezies als konjugierte Base der Säure bezeichnet, da sie in der Umkehrreaktion als Protonenakzeptor reagiert. Ebenso wird eine Base, wenn sie H⁺ akzeptiert, in ihre konjugierte Säure umgewandelt. Die Reaktion zwischen Wasser und Ammoniak veranschaulicht diese Idee, wie unten gezeigt.

In der Vorwärtsrichtung wirkt Wasser wie eine Säure, indem es ein Proton an Ammoniak abgibt und anschließend zu einem Hydroxidion, OH⁻, der konjugierten Base des Wassers, wird. Das Ammoniak fungiert als Base bei der Aufnahme dieses Protons und wird zu einem Ammoniumion, NH₄⁺, der konjugierten Säure des Ammoniaks. In umgekehrter Richtung fungiert ein Hydroxidion als Base bei der Aufnahme eines Protons aus einem Ammoniumion, das als Säure wirkt.

Starke Säuren und Basen dissoziieren in einer Lösung vollständig. Ihre konjugierten Säuren und Basen sind extrem schwach und können die Protonen nicht abgeben bzw. aufnehmen, um die Umkehrreaktion durchzuführen; Daher werden Reaktionen, an denen starke Säuren und Basen beteiligt sind, im Wesentlichen in einer wässrigen Lösung abgeschlossen. Auf der anderen Seite dissoziieren schwache Säuren und Basen teilweise in Lösungen und erzeugen schwache konjugierte Basen bzw. Säuren. Diese schwachen konjugierten Säuren oder Basen können die umgekehrte Reaktion durchführen, und so erreichen Reaktionen von schwacher Säure und Base ein Gleichgewicht, das von den relativen Stärken der schwachen Säuren und Basen abhängt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine stärkere Säure die ebenso schwächere konjugierte Base erzeugt, während eine stärkere Base die ebenso schwächere konjugierte Säure erzeugt und umgekehrt. Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen verschiedenen konjugierten Säure-Base-Paaren.

Strong Acid	Sehr schwache konjugierte Basis
HCl	Cl⁻
HNO₃	NO₃⁻

Weak acid	Schwache konjugierte Basis
HF	F⁻
NH₄⁺	NH₃

Sehr schwache Säure	Strong Conjugate Base
OH⁻	O²⁻
CH₄	CH₃⁻

Tabelle 1: Relative Stärke einiger konjugierter Säure-Base-Paare.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.4 Brønsted-Lowry Säure und Basen.

Transcript

Eine Arrhenius-Säure ist eine Substanz, die ein Wasserstoffion erzeugt, wenn sie in Wasser gelöst wird, und eine Arrhenius-Base ist eine Substanz, die ein OH−- oder Hydroxid-Ion erzeugt.

Salzsäure ist eine Arrheniussäure, da sie in Wasser gelöst in ein Wasserstoffion und ein Chloridion dissoziiert. Natriumhydroxid ist eine Arrhenius-Base, da es in Wasser gelöst in ein Natriumion und ein Hydroxidion dissoziiert.

Diese Definition kann jedoch nicht verwendet werden, um Säuren und Basen zu beschreiben, die sich nicht in einer wässrigen Lösung befinden, oder Basen, die keine Hydroxidionen enthalten.

Eine weiter gefasste Definition von Brønsted und Lowry definiert eine Säure als Wasserstoffionen- oder Protonendonor, während eine Base ein Protonenakzeptor ist.

Wenn Salzsäure in Wasser gelöst wird, wirkt sie wie eine Säure, indem sie ein Proton an Wasser abgibt, wodurch ein Hydroniumion und ein Chloridion entstehen. Wenn Ammoniak in Wasser gelöst wird, fungiert es als Base und nimmt ein Proton aus Wasser auf, wodurch ein Ammoniumion und ein Hydroxidion entstehen.

Eine Brønsted-Lowry-Säure reagiert immer mit einer Brønsted-Lowry-Base und umgekehrt. Wenn eine Säure, zum Beispiel Essigsäure, ihr Proton abgibt, fungiert Wasser als Base und nimmt das Proton auf. Essigsäure wird in eine konjugierte Base, Acetat, umgewandelt, und Wasser wird in eine konjugierte Säure, ein Hydronium-Ion, umgewandelt.

Säuren und Basen, die sich durch die Übertragung eines Protons voneinander unterscheiden, werden als konjugierte Säure-Basen-Paare bezeichnet. In der Umkehrreaktion fungiert die konjugierte Säure Hydronium als Protonendonor und die konjugierte Base Acetat nimmt ein Proton auf.

Die Stärke einer Säure wird durch ihre Fähigkeit bestimmt, ein Proton zu spenden, während die Stärke einer Base durch ihre Fähigkeit bestimmt wird, ein Proton aufzunehmen. Eine stärkere Säure spendet mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Proton als eine schwächere Säure. Ebenso ist es wahrscheinlicher, dass eine stärkere Base ein Proton aufnimmt als eine schwächere Base.

Die Stärke einer Säure und ihre konjugierte Base stehen in einem umgekehrten Verhältnis. Eine starke Säure dissoziiert in Lösung vollständig und die resultierende konjugierte Base ist zu schwach, um ein Proton aufzunehmen. Gleiches gilt für eine starke Base und deren konjugierte Säure.

Andererseits dissoziiert eine schwache Säure teilweise in Lösung. Die konjugierte Base einer schwachen Säure ist ebenfalls relativ schwach; Daher liegt ein Gemisch aus der undissoziierten schwachen Säure und ihrer schwachen konjugierten Base im Gleichgewicht vor. Das gleiche Phänomen tritt bei einer schwachen Base und ihrer schwachen konjugierten Säure auf.