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Säuren als Protonendonatoren

Protonendonatoren -

Herstellung von Salzsäure

Versuch
Herstellung und Untersuchung von Salzsäure
Durchführung:

Dieser Versuch darf nur als Lehrerversuch im Abzug durchgeführt werden, wegen der enormen Gefährlichkeit der konz. Schwefelsäure sowie des entstehenden Chlorwasserstoffs.

  • In den Erlenmeyerkolben werden 5 bis 10 g Natriumchlorid (Kochsalz) gegeben.
  • Der Tropftrichter mit Druckausgleich wird auf den Erlenmeyerkolben gesetzt.
  • Der Hahn des Tropftrichters wird verschlossen!
  • In den Tropftrichter werden ca. 20 ml konz. Schwefelsäure eingefüllt.
  • Der Tropftrichter wird mit dem Gummistopfen verschlossen.
  • Das Winkelrohr mit dem Glastrichter wird zusammengebaut und mit dem Tropftrichter verbunden.
  • Das Becherglas wird mit dest. Wasser gefüllt. Der Trichter darf die Wasseroberfläche nicht berühren!
  • Das Becherglas sollte auf einen Magnetrührer gestellt werden; damit sich das Gas und das Wasser besser vermischen.
  • Um den Versuch zu starten, wird der Hahn des Tropftrichters geöffnet. Die Schwefelsäure tropft auf das Natriumchlorid, und das entstehende Gas wird durch das Winkelrohr und den Trichter auf das dest. Wasser geleitet und mit diesem verrührt.
  • Vor und nach dem eigentlichen Versuch sind Proben des Wassers bzw. der gebildeten Lösung mit Universalindikator auf pH-Wert, mit Silbernitratlösung auf Anwesenheit von Chlorid-Ionen und mit einem Leitfähigkeitsmessgerät auf elektrische Leitfähigkeit zu untersuchen.
Beobachtungen

Wir können im Wesentlichen beobachten:

  1. kommt es im Erlenmeyerkolben zu einer heftigen Reaktion, es entstehen weißliche Nebel, die zudem auch noch stechend riechen und sicherlich nicht ungefährlich sind.
  2. bilden sich Schlieren in dem Wasser, das sich im Becherglas befindet. Das Wasser verändert aber nicht seine Farbe. Das heißt, es löst sich irgend ein farbloser gasförmiger Stoff in dem Wasser.
  3. sinkt der pH-Wert in dem Wasser beträchtlich, von pH 7 auf pH 2 oder sogar noch tiefer. Dies zeigt uns der Universalindikator.
  4. kann man nach dem Versuch Chlorid-Ionen in dem Wasser nachweisen, das zeigt uns der weiße Niederschlag, den wir mit zugefügtem Silbernitrat erhalten.
  5. ist das Wasser nach dem Versuch elektrisch leitfähig, während vorher die Leitfähigkeit fast gleich Null war.

All diese Beobachtungen sprechen dafür, dass sich in dem Becherglas eine saure Lösung gebildet hat. Geschmacksproben dürfen wir im Chemieunterricht ja nicht nehmen, aber - jede Wette - der Inhalt des Becherglas schmeckt nach dem Versuch stark sauer. Auch der Universalindikator ist nicht deswegen rot geworden, weil er sich schämt, sondern weil er eine Säure anzeigt. Die elektrische Leitfähigkeit zeigt uns an, dass die Lösung nach dem Versuch Ionen enthält, und die Reaktion mit Silbernitratlösung zeigt, dass es sich bei einem Teil dieser Ionen um Chlorid-, Bromid- oder Iodid-Ionen handeln muss, denn mit anderen Ionen bildet Silbernitrat keinen Niederschlag.

All diese Beobachtungen und Schlussfolgerungen lassen sich gut mit den folgenden Reaktionsgleichungen erklären:

$2 NaCl_{(s)} + H_{2}SO_{4_{(l)}} \to 2 HCl_{(g)} + Na_{2}SO_{4_{(aq)}} $

Hier sehen wir die Reaktionsgleichung für die Bildung des gasförmigen Chlorwasserstoffs $HCl_{(g)}$. Als Nebenprodukt tritt festes Natriumsulfat $Na_{2}SO_{4_{(aq)}}$ auf.

$HCl_{(g)} \to H^{+}_{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)}$

Und hier sehen wir die wichtigste Reaktionsgleichung, nämlich die Dissoziation des Chlorwasserstoffs. Unter "Dissoziation" verstehen wir den Zerfall eines Moleküls in zwei kleinere Teilchen; hier in zwei entgegengesetzt geladene Ionen. Aufgrund der elektrischen Ladungen versammeln diese beiden Ionen sofort eine ganze Hülle von Wasser-Molekülen um sich; es bildet sich die so genannte Hydrathülle, was durch das Symbol (aq) in der Reaktionsgleichung verdeutlicht wird.

Oxonium-Ionen

Das HCl-Molekül ist recht stabil. Ein HCl-Molekül würde nie im Leben spontan in ein Proton und ein Chlorid-Ion zerfallen, es sei denn, man führt sehr viel Energie zu, zum Beispiel in Form von Wärme (thermische Energie) oder extrem energiereichem UV-Licht. In Anwesenheit von Wasser-Molekülen sieht die Sache jedoch völlig anders aus:

$HCl_{(g)} + H_{2}O_{(l)} \to H_{3}O^{+}_{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)}$

Bekanntlich hat das Wasser-Molekül am O-Atom zwei Kugelwolken, die mit je zwei Elektronen besetzt sind. Man spricht auch gern von "freien Elektronenpaaren".

Ein Proton kann dagegen formal als ein Teilchen betrachtet werden, das eine leere Kugelwolke besitzt. Das H-Atom besteht aus einem Proton, das von einer einfach besetzten Kugelwolke umgeben ist. Wird nun das einzige Elektron aus dieser Kugelwolke entfernt, so bleibt ein nacktes Proton übrig, das - wenn man es so sehen will - eine leere Kugelwolke besitzt.

Nach der Edelgasregel sind alle Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle, Radikale) bestrebt, alle Kugelwolken mit zwei Elektronen zu besetzen. Das Proton "benötigt" also noch genau zwei Elektronen. Das O-Atom des Wasser-Moleküls bietet nun genau zwei solcher Elektronen in Form der freien Elektronenpaare an.

Ein Wasser-Molekül nach dem Kugelwolkenmodell

Hier sehen wir ein Wasser-Molekül, wie es sich nach dem Kugelwolkenmodell darstellt. Die beiden freien Elektronenpaare des O-Atoms stehen für weitere chemische Bindungen zur Verfügung.

Ein Oxonium-Ion nach dem Kugelwolkenmodell

Ein Oxonium-Ion nach dem Kugelwolkenmodell

Diese Abbildung zeigt ein Oxonium-Ion, dargestellt nach dem Kugelwolkenmodell. Das "obere" freie Elektronenpaar des O-Atoms hat sich mit der leeren Kugelwolke eines Protons vereinigt. Aus H2O und H+ ist das Oxonium-Ion H3O+ entstanden.

Überlegung

Das Oxonium-Ion H3O+ besitzt noch eine weitere mit zwei Elektronen besetze Kugelwolke. Theoretisch könnte sich also noch ein weiteres Proton an das Ion anlagern zum H4O2+. Warum passiert das nicht?

Ein Oxonium-Ion ist positiv geladen, ein Proton ebenso. Wenn sich ein weiteres Proton einem Oxonium-Ion nähert, wird dieses elektrisch abgestoßen. Daher ist die Existenz von H4O2+zwar nicht unmöglich, aber doch sehr unwahrscheinlich.

Säuren und saure Lösungen

Man muss streng zwischen Säuren und sauren Lösungen unterscheiden. Der Begriff der Säure kann ganz einfach definiert werden:

Säuren sind Teilchen, welche in der Lage sind, ein oder mehrere Protonen an eine Base abzugeben. Daher werden Säuren auch als Protonendonatoren bezeichnet, von lateinisch donare = abgeben, spenden.

Saure Lösungen sind wässrige Lösungen, die Säure-Teilchen enthalten.

Das wohl bekannteste Beispiel ist die Salzsäure, die ihren Namen eigentlich gar nicht verdient. Denn Salzsäure ist die wässrige Lösung von Chlorwasserstoff HCl. Also ist Chlorwasserstoff HCl(g) die Säure, und Salzsäure HCl(aq) ist eine saure Lösung. Das HCl-Molekül kann ein Proton an ein Wasser-Molekül abgeben.

Basen sind Protonenakzeptoren, also Teilchen, die in der Lage sind, ein Proton aufzunehmen. Damit ein Teilchen eine Base sein kann, muss sie ein freies Elektronenpaar besitzen.

Betrachten wir die Reaktion

$HCl_{(g)} + H_{2}O_{(l)} \to H_{3}O^{+}_{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)}$

noch einmal näher. Das HCl-Molekül tritt hier als Protonendonator auf, das H2O-Molekül als Protonenakzeptor. HCl ist also eine Säure, H2O eine Base.

Wenn man eine Flasche konz. Salzsäure neben eine Flasche konz. Ammoniak-Lösung stellt, kann man die Bildung eines weißen Nebels beobachten, der aus den Flaschenhälsen herauszukommen scheint. Die Reaktionsgleichung für diesen Prozess lautet:

$HCl_{_{(g)}} + NH_{3_{(g)}} \to Cl^{-}_{_{(s)}} + NH_{4_{(s)}}^{+}$

Auch bei dieser Reaktion ist HCl die Säure, die Rolle der Base wird diesmal aber nicht von Wasser eingenommen, sondern von Ammoniak NH3. Das Ammoniak-Molekül nimmt das Proton auf, das vom HCl-Molekül abgespalten wurde.

Damit hätten wir drei wichtige Grundbegriffe der Säure-Base-Chemie geklärt. Eine Säure ist ein Protonendonator, eine Base ein Protonenakzeptor, und eine saure Lösung die wässrige Lösung einer Säure. Was ist denn nun eine Lauge?

Laugen sind wässrige Lösungen, welche die Base OH- enthalten.

Die Natronlauge ist eine solche Lauge. Sie enthält in Wasser gelöstes Natriumhydroxid NaOH. In wässriger Lösung dissoziiert das feste NaOH in Na+- und OH--Ionen. Die OH--Ionen sind in der Lage, ein Proton aufzunehmen, wobei dann H2O entsteht.