Simulation – Mechanismus der Protonenübertragung bei Säure-Base-Reaktionen

Protonenübertragung bei Säure-Base-Reaktionen

Bei einer Säure-Base-Reaktion wechselt ein Proton von einem Teilchen zum anderen. Das Teilchen, das es abgibt, heißt Brønsted-Säure oder kurz Säure; das Teilchen, das es aufnimmt, heißt Brønsted-Base oder kurz Base. Benannt sind sie nach dem dänischen Chemiker Johannes Nicolaus Brønsted, der diese Betrachtungsweise 1923 vorschlug. Die Simulation zeigt drei solche Übertragungen.

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻

NH₃ + HCl → NH₄⁺ + Cl⁻

Stoff und Teilchen auseinanderhalten

Zwei Ebenen, die leicht durcheinandergeraten:

Auf der Stoffebene spricht man von einer sauren Lösung oder einer basischen Lösung – letztere heißt auch alkalische Lösung. Was die beiden unterscheidet, sind die Teilchen darin:

Eine saure Lösung enthält Oxonium-Ionen (H₃O⁺).
Eine basische Lösung enthält Hydroxid-Ionen (OH⁻).

Salzsäure ist eine saure Lösung – nämlich die Lösung des Gases Hydrogenchlorid in Wasser. Man kann sie in ein Becherglas gießen und ihren pH-Wert messen. Beide Reaktionen der Simulation erzeugen genau diese Teilchen: die erste ein Oxonium-Ion, die zweite ein Hydroxid-Ion.

Auf der Teilchenebene spricht man von Brønsted-Säure und Brønsted-Base. Gemeint sind damit einzelne Teilchen: Das Hydrogenchlorid-Molekül ist die Brønsted-Säure, weil es ein Proton abgibt; das Wasser-Molekül ist die Brønsted-Base, weil es eines aufnimmt. Ein einzelnes Teilchen hat keinen pH-Wert.

Die Simulation zeigt ausschließlich die Teilchenebene – deshalb heißt es dort durchgehend Hydrogenchlorid-Molekül und nicht Salzsäure.

Was beim Übergang wirklich geschieht

Ein Proton ist ein Wasserstoff-Atom ohne sein Elektron. Es kann deshalb nicht einfach hinüberspringen: Es braucht auf der anderen Seite ein Elektronenpaar, an das es sich bindet.

Die Brønsted-Base bietet ein freies Elektronenpaar an. Beim Wasser-Molekül sitzen zwei davon am Sauerstoff-Atom, beim Ammoniak-Molekül eines am Stickstoff-Atom.
Dieses Elektronenpaar bildet die neue Bindung zum Proton.
Das bindende Elektronenpaar der alten Bindung bleibt beim abgebenden Atom zurück – als freies Elektronenpaar. Deshalb trägt dieses Teilchen danach die negative Ladung.

Ein Proton ist nie allein unterwegs

In der Simulation rücken die beiden Teilchen erst zusammen, und das Proton hängt dabei durchgehend an einem Elektronenpaar – zuerst am alten, dann kurz an beiden, dann am neuen. Ein freies Proton gäbe es in einer Lösung nicht einmal für einen Augenblick; es ist viel zu klein und zu stark geladen.

Aus demselben Grund schreibt man für die saure Lösung H₃O⁺ und nicht H⁺: Das Proton sitzt an einem Wasser-Molekül. Das entstandene Teilchen heißt Oxonium-Ion.

Wasser kann beides

Vergleicht man die ersten beiden Reaktionen, fällt etwas auf: Gegenüber dem Hydrogenchlorid-Molekül nimmt das Wasser-Molekül ein Proton auf – es ist die Base. Gegenüber dem Ammoniak-Molekül gibt es eines ab – es ist die Brønsted-Säure.

Ein Teilchen, das beides kann, heißt Ampholyt. Ob ein Wasser-Molekül als Säure oder als Base reagiert, hängt also nicht von ihm allein ab, sondern vom Partner.

Ohne Wasser: Ammoniak und Hydrogenchlorid

Die dritte Reaktion zeigt, dass für eine Protonenübertragung kein Wasser nötig ist. Hält man im Versuch zwei offene Flaschen nebeneinander – eine mit Ammoniak-Lösung, eine mit konzentrierter Salzsäure –, so bildet sich zwischen ihnen weißer Rauch. Die beiden Gase treffen in der Luft aufeinander, und das Proton geht unmittelbar über.

Die entstandenen Ionen bleiben nicht einzeln nebeneinander stehen: Sie ordnen sich zu einem Ionengitter. Der weiße Rauch besteht aus winzigen Kristallen des Salzes Ammoniumchlorid. Die Simulation endet vorher – sie zeigt nur die beiden Ionen unmittelbar nach der Übertragung.

Was die Zeichen bedeuten

In der Simulation erscheinen zwei verschiedene Arten von Ladungszeichen.

Vor der Reaktion stehen δ+ und δ− an drei Atomen. Das sind Partialladungen: Die Bindung zwischen zwei verschiedenen Atomen ist polar, weil das eine Atom die Bindungselektronen stärker anzieht als das andere. Am Wasserstoff-Atom bleibt dadurch zu wenig Elektronendichte – genau das macht es angreifbar. Eine Partialladung ist immer kleiner als eine ganze Ladung.

Nach der Übertragung stehen + und − an je einem Atom. Das sind Formalladungen, und sie sind ganzzahlig: Aus den Molekülen sind Ionen geworden. Zusammengezählt bleibt die Ladung dabei unverändert – vorher null, nachher 1+ und 1−, also wieder null.

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