Protonenübertragungsreaktionen und saure Lösungen einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, warum Zitronensaft sauer schmeckt oder warum manche Putzmittel sogar Kalk auflösen können? Was genau macht eine Flüssigkeit eigentlich zu einer „Säure“?

In dieser Lektion schauen wir uns das Geheimnis der Protonenübertragungsreaktionen und sauren Lösungen am Beispiel der Salzsäure ganz genau an. Du wirst lernen, wie winzige Teilchen unsichtbare Bausteine hin und her werfen und welches spezielle Teilchen in absolut jeder sauren Lösung steckt.

Vorwissen

• Ionen: Geladene Teilchen. Beispiel: Kochsalz besteht aus positiv geladenen Natrium-Ionen ($\text{Na}^+$) und negativ geladenen Chlorid-Ionen ($\text{Cl}^-$).

• Freie Elektronenpaare: Elektronen in einem Molekül, die nicht für eine Bindung genutzt werden. Beispiel: Das Sauerstoffatom im Wassermolekül ($\text{H}_2\text{O}$) besitzt zwei freie Elektronenpaare.

• Hydrathülle: Wassermoleküle, die sich wie ein schützender Mantel um ein Ion in einer Lösung legen.

Aufgabentyp 1: Donator und Akzeptor bei Protonenübertragungsreaktionen bestimmen

Um Protonenübertragungsreaktionen und saure Lösungen zu verstehen, schauen wir uns zunächst die Zusammensetzung von Salzsäure und dem Oxonium-Ion an. Salzsäure ist eine wässrige Lösung. Das bedeutet, sie entsteht, wenn man das Gas Chlorwasserstoff ($\text{HCl}$) in Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) mischt. Aber die Teilchen bleiben dabei nicht unverändert.

Das Wassermolekül besitzt freie Elektronenpaare. Wenn ein Chlorwasserstoff-Molekül in die Nähe kommt, nutzt das Wasser eines dieser freien Elektronenpaare wie eine greifende Hand. Es schnappt sich ein Proton ($\textcolor{#08BFFF}{\text{H}^+}$) vom Chlorwasserstoff.

Durch diesen Vorgang wird das freie Elektronenpaar zu einem festen, bindenden Elektronenpaar. Es entstehen zwei völlig neue Ionen:

1. Das Oxonium-Ion ($\text{H}_3\text{O}^+$): Das ist das Wassermolekül mit dem zusätzlichen Proton.
2. Das Chlorid-Ion ($\text{Cl}^-$): Das ist der Rest, der vom Chlorwasserstoff übrig bleibt.

In der fertigen Salzsäure schwimmen diese beiden Ionen nicht nackt herum. Jedes Oxonium-Ion und jedes Chlorid-Ion wird sofort von weiteren Wassermolekülen umzingelt. Diese schützende Schicht nennt man Hydrathülle.

Den Vorgang, den wir gerade kennengelernt haben, nennen Chemiker eine Protonenübertragungsreaktion (oder auch Donator-Akzeptor-Reaktion). Dabei werden spezielle Rollen verteilt, ähnlich wie bei einem Ballspiel, bei dem das Proton der Ball ist.

• Der Protonendonator (Spender) ist das Teilchen, das den Ball abwirft. Bei der Bildung von Salzsäure ist das Chlorwasserstoff-Molekül ($\text{HCl}$) der Protonendonator, weil es ein Proton abgibt.
• Der Protonenakzeptor (Empfänger) ist das Teilchen, das den Ball fängt. Hier ist das Wassermolekül ($\text{H}_2\text{O}$) der Protonenakzeptor, weil es das Proton aufnimmt.

Wir können dieses „Ballspiel“ in einer chemischen Reaktionsgleichung aufschreiben:

$\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Cl}^- + \text{H}_3\text{O}^+$

Wir haben uns nun Salzsäure als Beispiel angesehen. Aber was ist mit anderen Säuren, wie zum Beispiel der Säure in einer Zitrone?

Das Faszinierende an der Chemie ist, dass Protonenübertragungsreaktionen ein universeller Trick der Natur sind. Jedes Mal, wenn man irgendeine Säure in Wasser gibt, passiert genau das Gleiche: Die Säure spielt den Protonendonator und gibt ein Proton an das Wasser ab.

Weil das Wasser immer das Proton aufnimmt, entsteht auch immer das gleiche Teilchen: das Oxonium-Ion ($\text{H}_3\text{O}^+$).

Du musst dir also nur eine einzige, sehr wichtige Regel merken: Oxonium-Ionen sind die typischen Teilchen, die in allen sauren Lösungen vorkommen. Sie sind das entscheidende Merkmal, das eine Flüssigkeit überhaupt erst sauer macht!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du eine Reaktionsgleichung siehst und herausfinden sollst, wer der Spender und wer der Empfänger ist, gehe so vor:

1. Vorher und Nachher vergleichen: Schau dir die Teilchen auf der linken Seite (vor der Reaktion) und auf der rechten Seite (nach der Reaktion) genau an.
2. Den Protonendonator finden: Suche das Teilchen auf der linken Seite, das auf der rechten Seite ein „$\text{H}$“ und eine positive Ladung weniger hat. Das ist der Spender (Donator).
3. Den Protonenakzeptor finden: Suche das Teilchen auf der linken Seite, das auf der rechten Seite ein „$\text{H}$“ und eine positive Ladung mehr hat. Das ist der Empfänger (Akzeptor).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Salzsäure besteht aus Chlorid-Ionen ($\text{Cl}^-$) und Oxonium-Ionen ($\text{H}_3\text{O}^+$), die von einer Hydrathülle aus Wasser umgeben sind.
• Bei einer Protonenübertragungsreaktion gibt ein Protonendonator ein Proton ab und ein Protonenakzeptor nimmt es auf.
• Oxonium-Ionen ($\text{H}_3\text{O}^+$) sind das entscheidende Merkmal, das in allen sauren Lösungen vorkommt.