15.10: Ionen als Säuren und Basen

Salze mit sauren Ionen

Salze sind ionische Verbindungen, die aus Kationen und Anionen bestehen, von denen jede in der Lage sein kann, eine saure oder basische Ionisationsreaktion mit Wasser einzugehen. Wässrige Salzlösungen können daher sauer, basisch oder neutral sein, abhängig von den relativen Säure-Base-Stärken der Bestandteile des Salzes. Zum Beispiel führt das Auflösen des Ammoniumchlorids in Wasser zu seiner Dissoziation, wie durch die Gleichung beschrieben:

Das Ammoniumion ist die konjugierte Säure der Base Ammoniak, NH₃; seine saure Ionisationsreaktion (oder saure Hydrolyse) wird dargestellt durch

Da Ammoniak eine schwache Base ist, ist K_b messbar und K_a > 0 (Ammoniumion ist eine schwache Säure).

Das Chloridion ist die konjugierte Base der Salzsäure, und daher wird seine Basenionisationsreaktion (oder Basenhydrolyse) dargestellt durch

Da HCl eine starke Säure ist, ist K_a unermesslich groß und K_b ≈ 0 (Chloridionen werden nicht nennenswert hydrolysiert). So ergibt das Auflösen von Ammoniumchlorid in Wasser eine Lösung aus schwach sauren Kationen (NH₄⁺) und inerten Anionen (Cl^-), was zu einer sauren Lösung führt.

Salze mit basischen Ionen

Ein weiteres Beispiel ist das Auflösen von Natriumacetat in Wasser:

Das Natriumion erfährt keine nennenswerte Säure- oder Basenionisation und hat keinen Einfluss auf den pH-Wert der Lösung. Dies mag aus der Formel des Ions offensichtlich erscheinen, die darauf hinweist, dass es keine Wasserstoff- oder Sauerstoffatome gibt, aber einige gelöste Metallionen fungieren als schwache Säuren, wie weiter unten in diesem Abschnitt behandelt wird. Das Acetation, CH₃CO₂⁻, ist die konjugierte Base der Essigsäure, CH₃CO₂H, und daher wird seine Basenionisationsreaktion (oder Basenhydrolysereaktion) dargestellt durch

Da Essigsäure eine schwache Säure ist, ist ihr K_a messbar und K_b > 0 (Acetation ist eine schwache Base). Durch das Auflösen von Natriumacetat in Wasser entsteht eine Lösung aus inerten Kationen (Na⁺) und schwachen basischen Anionen (CH₃CO₂⁻), was zu einer basischen Lösung führt.

Salze mit sauren und basischen Ionen

Einige Salze bestehen sowohl aus sauren als auch aus basischen Ionen, so dass der pH-Wert ihrer Lösungen von den relativen Stärken dieser beiden Spezies abhängt. Für solche Arten von Salzen ermöglicht ein Vergleich der Werte K_a und K_b die Vorhersage des Säure-Base-Status der Lösung.

Die Ionisation von hydratisierten Metallionen

Im Gegensatz zu den Metallionen der Gruppe 1 und 2 der vorangegangenen Beispiele (Na⁺, Ca²⁺ usw.) fungieren einige Metallionen in wässrigen Lösungen als Säuren. Diese Ionen werden nicht nur lose von Wassermolekülen gelöst, wenn sie aufgelöst werden; Stattdessen sind sie kovalent an eine feste Anzahl von Wassermolekülen gebunden, um ein komplexes Ion zu erhalten (siehe Kapitel über Koordinationschemie). Als Beispiel wird die Auflösung von Aluminiumnitrat in Wasser typischerweise wie folgt dargestellt:

Das Aluminium(III)-Ion reagiert jedoch tatsächlich mit sechs Wassermolekülen zu einem stabilen Komplex-Ion, so dass die explizitere Darstellung des Auflösungsprozesses

Bei den Al(H,₂O)₆³⁺-Ionen handelt es sich um Bindungen zwischen einem zentralen Al-Atom und den O-Atomen der sechs Wassermoleküle. Folglich sind die O-H-Bindungen der gebundenen Wassermoleküle polarer als in ungebundenen Wassermolekülen, wodurch die gebundenen Moleküle anfälliger für die Abgabe eines Wasserstoffions sind:

Die durch diesen Prozess hergestellte konjugierte Base enthält fünf weitere gebundene Wassermoleküle, die als Säuren wirken können, und so ist der sequentielle oder schrittweise Transfer von Protonen möglich, wie in einigen der folgenden Gleichungen dargestellt:

Abgesehen von den Alkalimetallen (Gruppe 1) und einigen Erdalkalimetallen (Gruppe 2) werden die meisten anderen Metallionen in gewissem Maße sauer ionisiert, wenn sie in Wasser gelöst werden. Die Säurestärke dieser Komplexionen nimmt typischerweise mit zunehmender Ladung und abnehmender Größe der Metallionen zu. Die Gleichungen für die Säureionisation im ersten Schritt für einige andere saure Metallionen sind unten dargestellt:

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.4: Hydrolyse von Salzen.

Säuren, Basen und ionische Verbindungen bilden Anionen und Kationen, wenn sie sich in Wasser lösen.

Anionen, die die konjugierte Base starker Säuren sind, wie Chlorid, das durch die Dissoziation von Salzsäure gebildet wird, sind zu schwach, um ein Proton aus Wasser aufzunehmen. Daher sind Chloridionen pH-neutral; Das heißt, sie sind weder sauer noch basisch.

Im Gegensatz dazu wirken Anionen, die von schwachen Säuren gebildet werden, wie Acetat, die konjugierte Base der Essigsäure, als schwache Base, da sie ein Proton aus Wasser aufnehmen können.

Kationen, die die konjugierte Säure starker Basen sind, wie z. B. Natriumionen, die von Natriumhydroxid gebildet werden, können keine Protonen aufnehmen und sind daher auch pH-neutral.

Im Gegensatz dazu wirken Kationen, die von schwachen Basen wie Ammonium, der konjugierten Säure des Ammoniaks, produziert werden, als schwache Säure, da sie Protonen an Wasser abgeben können.

Salze können bei der Ionisierung saure und basische Lösungen erzeugen, wenn sie eine konjugierte Säure oder eine konjugierte Base einer schwachen Säure oder Base enthalten.

Ammoniumbromid produziert Ammonium- und Bromidionen in Wasser. Bromid-Ionen sind pH-neutral, während Ammonium-Ionen als schwache Säure wirken, da sie Protonen abgeben können.

Wenn Natriumacetat in Wasser gelöst wird, reagieren die Natriumionen nicht mit Wasser; das Acetation kann jedoch ein Proton aufnehmen und so eine basische Lösung bilden.

Salze, die pH-neutrale Kationen und Anionen enthalten, bilden neutrale Lösungen. Zum Beispiel dissoziiert Natriumchlorid in Natriumionen und Chloridionen, wenn es in Wasser gelöst wird. Da diese beiden Ionen weder Protonen aufnehmen noch abgeben können, bilden sie eine neutrale Lösung.

Kleine und hochgeladene Metallionen wie Eisen(III) und Aluminium(III) können ebenfalls als schwache Säuren wirken, wenn sie hydratisiert werden.

Wenn Aluminium(III) hydratisiert wird, wirkt es wie eine schwache Säure und überträgt Protonen aus seinem Hydratationswasser auf die freien Wassermoleküle, was zur Produktion von Hydroniumionen führt.

Je kleiner das Metallion und je höher die Ladungen, desto größer ist seine Tendenz, als Säure zu wirken. Zum Beispiel beträgt das K_a für Fe(III) 6,3 × 10⁻³, während das K_a für Ni(II) 2,5 × 10⁻¹¹ beträgt.