Simulation: Reaktion von Ammoniak und Hydrogenchlorid

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Reaktion von Ammoniak und Hydrogenchlorid

Konzentrierte Salzsäure gibt das Gas Hydrogenchlorid ab, konzentrierte Ammoniaklösung das Gas Ammoniak. Treffen die beiden Gase in der Luft aufeinander, geht ein Proton (H⁺) vom Hydrogenchlorid-Molekül auf das Ammoniak-Molekül über. Es entstehen Ammonium-Ionen und Chlorid-Ionen, die sich zum Salz Ammoniumchlorid zusammenlagern. Das Besondere: Dieser Protonenübergang läuft ohne Beteiligung von Wasser ab.

Protonenübergänge: Säure und Base

Bei einer Säure-Base-Reaktion geht ein Proton von einem Teilchen auf ein anderes über.

• Eine Säure ist ein Teilchen, das ein Proton abgibt (Protonendonator). Es braucht dazu ein Wasserstoff-Atom, das polar gebunden ist. Im Hydrogenchlorid-Molekül hat das Chlor-Atom eine deutlich größere Elektronegativität als das Wasserstoff-Atom (Cl 3,0; H 2,1). Das bindende Elektronenpaar liegt näher am Chlor-Atom, das Wasserstoff-Atom ist positiv teilgeladen. Ob ein Proton tatsächlich übergeht, hängt auch vom Partner ab: Das Ammoniak-Molekül bindet ein Proton fester als das Chlorid-Ion.
• Eine Base ist ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt (Protonenakzeptor). Es braucht dazu ein nichtbindendes Elektronenpaar, mit dem es das Proton bindet. Im Ammoniak-Molekül hat das Stickstoff-Atom ein solches Elektronenpaar, im Wasser-Molekül das Sauerstoff-Atom zwei.
• Ein Protonenübergang findet nur statt, wenn Säure und Base zusammenstoßen. Das Proton wird nicht über eine Entfernung hinweg abgegeben.
• Gibt eine Säure ein Proton ab, wird sie selbst zu einer Base; nimmt eine Base ein Proton auf, wird sie zu einer Säure. Zwei Teilchen, die sich nur durch ein Proton unterscheiden, bilden ein Säure-Base-Paar, zum Beispiel HCl/Cl⁻ und NH₄⁺/NH₃.

In der Luft: Protonenübergang ohne Wasser

Stößt ein Hydrogenchlorid-Molekül mit einem Ammoniak-Molekül zusammen, bindet das nichtbindende Elektronenpaar des Stickstoff-Atoms das Proton. Aus dem Ammoniak-Molekül wird ein Ammonium-Ion mit vier N–H-Bindungen und positiver Ladung, aus dem Hydrogenchlorid-Molekül ein Chlorid-Ion. Das Bindungselektronenpaar der H–Cl-Bindung bleibt beim Chlor-Atom, das Chlorid-Ion ist deshalb negativ geladen.

NH₃ + HCl → NH₄⁺ + Cl⁻

Das Hydrogenchlorid-Molekül ist die Säure, das Ammoniak-Molekül die Base. Weil in der Luft keine Wasser-Moleküle beteiligt sind, entstehen dabei keine Oxonium-Ionen und keine Hydroxid-Ionen: Das Proton geht vom Hydrogenchlorid-Molekül unmittelbar auf das Ammoniak-Molekül über, ohne Umweg über ein Wasser-Molekül. Säure-Base-Reaktionen sind also nicht auf wässrige Lösungen beschränkt.

Ammonium-Ionen und Chlorid-Ionen ziehen sich wegen ihrer entgegengesetzten Ladung an und lagern sich zu kleinen Ionengittern zusammen. Ammoniumchlorid kristallisiert bei Raumtemperatur im selben Gittertyp wie Caesiumchlorid: Jedes Ion hat acht nächste Nachbarn der anderen Sorte. Viele solcher Kriställchen schweben als weißer Rauch in der Luft. Insgesamt: NH₃ (g) + HCl (g) → NH₄Cl (s); dabei wird Energie frei.

In der Salzsäure: Wasser als Base

Salzsäure (37 %) ist eine Lösung von Hydrogenchlorid in Wasser; ein Liter ist aus etwa 12 mol Hydrogenchlorid und 41 mol Wasser entstanden. Beim Lösen gibt praktisch jedes Hydrogenchlorid-Molekül sein Proton an ein Wasser-Molekül ab. Das Wasser-Molekül ist hier die Base, es wird zum Oxonium-Ion.

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

In der Lösung gibt es deshalb kaum Hydrogenchlorid-Moleküle, sondern Oxonium-Ionen, Chlorid-Ionen und Wasser-Moleküle, etwa im Anzahlverhältnis 1 : 1 : 2,4. An der Oberfläche läuft der Protonenübergang auch rückwärts: Ein Oxonium-Ion gibt ein Proton an ein benachbartes Chlorid-Ion ab (H₃O⁺ + Cl⁻ → HCl + H₂O). Jetzt ist das Oxonium-Ion die Säure und das Chlorid-Ion die Base. Das entstandene Hydrogenchlorid-Molekül entweicht in den Gasraum. Trifft ein Hydrogenchlorid-Molekül aus dem Gasraum auf die Oberfläche, gibt es sein Proton wieder an ein Wasser-Molekül ab.

In der Ammoniaklösung: Wasser als Säure

Ammoniaklösung (25 %) ist eine Lösung von Ammoniak in Wasser; ein Liter enthält etwa 13 mol Ammoniak und 38 mol Wasser. Hier gibt ein Wasser-Molekül ein Proton an ein Ammoniak-Molekül ab: Das Wasser-Molekül ist die Säure, das Ammoniak-Molekül die Base.

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

Ammoniak ist eine schwache Base. Der Protonenübergang läuft ständig in beide Richtungen ab: Treffen ein Ammonium-Ion und ein Hydroxid-Ion zusammen, geht das Proton zurück. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, in dem nur ein sehr kleiner Teil der Ammoniak-Moleküle protoniert ist: In dieser Lösung kommt auf etwa 860 Ammoniak-Moleküle nur ein Ammonium-Ion. Aus der Oberfläche entweichen Ammoniak-Moleküle, keine Ionen.

Das Wasser-Molekül kann also je nach Partner ein Proton abgeben oder aufnehmen. Ein Teilchen, das sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann, heißt Ampholyt.

Diffusion

Die Gas-Moleküle bewegen sich ungeordnet und stoßen ständig mit Luft-Molekülen zusammen; dabei ändern sie ihre Richtung. So verteilen sie sich langsam in der Luft. Bei gleicher Temperatur sind leichtere Moleküle im Mittel schneller: Ammoniak-Moleküle (Ammoniak: M = 17 g/mol) bewegen sich bei 20 °C im Mittel mit etwa 600 m/s, Hydrogenchlorid-Moleküle (Hydrogenchlorid: M = 36,5 g/mol) mit etwa 410 m/s.

Grenzen des Modells

• Luft-Moleküle: Sie sind nicht gezeichnet. Ihre Stöße wirken als Richtungswechsel der gezeichneten Moleküle. Die Strecke zwischen zwei Stößen ist kürzer als in Wirklichkeit; dort sind es bei 20 °C etwa 70 nm.
• Zeitlupe: In den Lupen bewegen sich die Teilchen etwa hundertmilliardenfach verlangsamt.
• Strömung: Über den Öffnungen strömt die Luft in den Lupen nach oben. Diese Strömung ist stark übertrieben, damit man das Aufsteigen in kurzer Zeit sieht.
• Anzahl und Größe: Über den Öffnungen und besonders zwischen ihnen sind viel mehr Moleküle gezeichnet, als dort in Wirklichkeit Platz hätten, damit genug Moleküle zusammenstoßen. Die Moleküle sind im Vergleich zu ihren Abständen vergrößert.
• Rauchteilchen: Ein echtes Kriställchen im Rauch besteht aus Millionen bis Milliarden von Ionen; in der Simulation sind es höchstens 40. Damit sich die Ionengitter in kurzer Zeit zusammenlagern, ziehen sie sich stärker an als in Wirklichkeit.
• Lösungs-Lupen: Das Bild zeigt nur wenige Nanometer; die runde Glaswand ist zur Orientierung gezeichnet. Wasser-Moleküle sind blass dargestellt. Die Teilchen der Flüssigkeit liegen lockerer als in Wirklichkeit, der Gasraum ist im Vergleich dazu dichter besetzt. Die Ionen sind ohne Hydrathülle gezeichnet. Die wenigen Wasser-Moleküle im Gasraum sind nicht gezeichnet.
• Ammonium-Ionen in der Ammoniaklösung: Gezeichnet ist ein Ammonium-Ion auf etwa 12 Ammoniak-Moleküle, in Wirklichkeit eines auf etwa 860. Sonst wäre kaum ein Ion zu sehen.
• Verdunsten und Lösen: Unterhalb des Bildrands gleicht die übrige Lösung aus, was verdunstet oder sich löst. Eine langsame Strömung in der Lösung (Konvektion) mischt schneller als Diffusion allein. Bei offener Flasche kommt aus dem Gasraum fast nichts zurück; bei verschlossener Flasche löst sich für jedes verdunstete Molekül bald ein anderes.
• Einzelne Moleküle: Stoßen nur ein Ammoniak- und ein Hydrogenchlorid-Molekül allein zusammen, bleiben sie in Wirklichkeit meist als Molekülpaar aneinander gebunden. Der Protonenübergang gelingt erst, wenn weitere Teilchen beteiligt sind, zum Beispiel an einem schon vorhandenen Kriställchen. Die Simulation zeigt den Übergang vereinfacht schon beim ersten Stoß.
• Protonenübergang: Das Proton springt in der Simulation in einem Schritt über. In Wirklichkeit verschiebt sich dabei auch die Elektronenverteilung; in der Lösung wandert ein Proton zudem oft über mehrere Wasser-Moleküle hinweg weiter.
• Nebel: Über konzentrierter Salzsäure bildet sich an feuchter Luft ein leichter Nebel aus Salzsäure-Tröpfchen. Er ist nicht gezeichnet, damit der Rauch aus Ammoniumchlorid deutlich zu unterscheiden ist.