15.10: Ionen als Säuren und Basen

Salze mit sauren Ionen

Salze sind ionische Verbindungen bestehend aus Kationen und Anionen, die jeweils mit Wasser eine saure oder basische Ionisierungsreaktion eingehen können. Wässrige Salzlösungen können daher sauer, basisch oder neutral sein, abhängig von der relativen Säure-Base-Stärke der im Salz enthaltenen Ionen. Das Auflösen von Ammoniumchlorid in Wasser führt beispielsweise zu seiner Dissoziation, wie durch die Gleichung beschrieben:

Das Ammoniumion ist die konjugierte Säure der Base Ammoniak, NH₃; Seine Säureionisierungs- (oder Säurehydrolyse-)Reaktion wird durch dargestellt

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 von Salzsäure und daher wird seine Basenionisierungsreaktion (oder Basenhydrolysereaktion) durch dargestellt

Da HCl eine starke Säure ist, ist K_a unermesslich groß und K_b ≈ 0 (Chloridionen unterliegen keiner nennenswerten Hydrolyse). Das Auflösen von Ammoniumchlorid in Wasser ergibt also eine Lösung aus schwach sauren Kationen (NH₄⁺) und inerten Anionen (Cl⁻), was zu einer sauren Lösung führt.

Salze mit basischen Ionen

Betrachten Sie als weiteres Beispiel das Auflösen von Natriumacetat in Wasser:

Das Natriumion unterliegt keiner nennenswerten Säure- oder Basenionisierung 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, einige gelöste Metallionen jedoch als schwache Säuren wirken, wie später in diesem Abschnitt erläutert wird. Das Acetation, CH₃CO₂⁻, ist die konjugierte Base der Essigsäure, CH₃CO₂H, und daher wird seine Basenionisierungsreaktion (oder Basenhydrolysereaktion) durch dargestellt

Da Essigsäure eine schwache Säure ist, ist ihr K_a messbar und K_b > 0 (Acetat-Ion ist eine schwache Base). Das Auflösen von Natriumacetat in Wasser ergibt eine Lösung aus inerten Kationen (Na⁺) und schwach 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 und daher hängt der pH-Wert ihrer Lösungen von der relativen Stärke dieser beiden Spezies ab. Bei solchen Salztypen ermöglicht ein Vergleich der K_a- und K_b-Werte die Vorhersage des Säure-Basen-Status der Lösung.

Die Ionisierung hydratisierter Metallionen

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

Allerdings reagiert das Aluminium(III)-Ion tatsächlich mit sechs Wassermolekülen unter Bildung eines stabilen Komplexions, weshalb der Auflösungsprozess expliziter dargestellt wird

Bei den Al(H₂O)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 bei nicht gebundenen Wassermolekülen, wodurch die gebundenen Moleküle anfälliger für die Abgabe eines Wasserstoffions sind:

Die durch diesen Prozess erzeugte konjugierte Base enthält fünf weitere gebundene Wassermoleküle, die als Säuren wirken können, sodass die sequentielle oder schrittweise Übertragung von Protonen möglich ist, wie in einigen Gleichungen unten dargestellt:

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

Dieser Text ist adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section 14.4: Hydrolysis of Salts

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.