Basen und alkalische Lösungen: Natronlauge und Ammoniak

Einstieg: Der Rohrreiniger und die Augen

Auf einer Flasche Rohrreiniger findest du das Gefahrenpiktogramm mit der zerfressenen Hand: ätzend. Er enthält Natriumhydroxid und ist stark alkalisch. Augenärzte warnen, dass alkalische Lösungen im Auge oft schlimmere Schäden anrichten als Säuren, weil sie tief ins Gewebe eindringen. Was macht eine Lösung alkalisch, und welche Teilchen sind daran beteiligt?

Erklärung: Hydroxid-Ionen machen Lösungen alkalisch

Alkalische Lösungen enthalten viele Hydroxid-Ionen $\mathrm{OH^{-}}$. Sie können auf zwei Wegen entstehen.

Weg 1: Ein Hydroxid löst sich

Natriumhydroxid $\mathrm{NaOH}$ ist ein weißer, fester Stoff aus Natrium-Ionen und Hydroxid-Ionen, also ein Salz. Löst es sich in Wasser, werden die Ionen beweglich:

$\mathrm{NaOH}\mathrm{(s)} \longrightarrow \mathrm{Na^{+}}\mathrm{(aq)} + \mathrm{OH^{-}}\mathrm{(aq)}$

Die Lösung heißt Natronlauge. Ebenso entsteht aus Kaliumhydroxid Kalilauge und aus Calciumhydroxid Kalkwasser:

$\mathrm{Ca(OH)_{2}}\mathrm{(s)} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}}\mathrm{(aq)} + 2\,\mathrm{OH^{-}}\mathrm{(aq)}$

Hier wird kein Proton übertragen. Das Hydroxid-Ion war schon im Feststoff vorhanden.

Weg 2: Eine Base nimmt ein Proton vom Wasser auf

Ammoniak $\mathrm{NH_{3}}$ ist ein stechend riechendes Gas. In Wasser nimmt ein Teil der Ammoniakmoleküle ein Proton von einem Wassermolekül auf:

$\mathrm{NH_{3}} + \mathrm{H_{2}O} \rightleftharpoons \mathrm{NH_{4}^{+}} + \mathrm{OH^{-}}$

Das Ammoniakmolekül ist hier die Base (Protonenakzeptor), das Wassermolekül die Säure (Protonendonator). Es entstehen Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen. Die Lösung ist alkalisch.

Und welches Teilchen ist die Base?

Nach Brønsted ist eine Base ein Teilchen, das Protonen aufnehmen kann. Das Hydroxid-Ion selbst ist eine Base: Es nimmt ein Proton auf und wird zu Wasser. Natronlauge ist deshalb eine Lösung, die die Base $\mathrm{OH^{-}}$ enthält. Natrium-Ionen sind keine Base, sie sind nur die Partner im Salz.

Wasser kann also beides sein: Gegenüber $\mathrm{HCl}$ nimmt es ein Proton auf (Base), gegenüber $\mathrm{NH_{3}}$ gibt es ein Proton ab (Säure). Solche Teilchen heißen Ampholyte.

Versuch: Kalkwasser selbst herstellen

Material: Calciumhydroxid, destilliertes Wasser, Erlenmeyerkolben mit Stopfen, Trichter, Filterpapier, Universalindikator, Trinkhalm, Schutzbrille, Schutzhandschuhe.

Durchführung: Die Lehrkraft gibt eine Spatelspitze Calciumhydroxid in den Kolben mit 100 ml Wasser. Verschließen, schütteln und filtrieren. Prüfe einen Teil des Filtrats mit Universalindikator. Puste in einen anderen Teil vorsichtig mit dem Trinkhalm Atemluft (nicht ansaugen).

Beobachtung: Der Indikator färbt sich blau bis violett: Kalkwasser ist alkalisch. Beim Einblasen von Atemluft wird das klare Kalkwasser milchig trüb.

$\mathrm{Ca(OH)_{2}} + \mathrm{CO_{2}} \longrightarrow \mathrm{CaCO_{3}} + \mathrm{H_{2}O}$

Das trübe Calciumcarbonat zeigt Kohlenstoffdioxid an. Das ist der Kalkwasser-Nachweis, den du von der Verbrennung kennst.

Sicherheit: Schutzbrille. Calciumhydroxid ist als Feststoff augenschädigend: Spatel und Pulver nur durch die Lehrkraft. Beim Pusten nie ansaugen. Natriumhydroxid als Feststoff und konzentrierte Natronlauge gehören nicht in Schülerhand. Im Unterricht verwendest du Natronlauge höchstens mit $c = 0{,}1\,\text{mol/L}$.

Beispiele

Beispiel 1: Kaliumhydroxid

Kaliumhydroxid $\mathrm{KOH}$ löst sich in Wasser:

$\mathrm{KOH}\mathrm{(s)} \longrightarrow \mathrm{K^{+}}\mathrm{(aq)} + \mathrm{OH^{-}}\mathrm{(aq)}$

Die Lösung heißt Kalilauge. Sie enthält Hydroxid-Ionen und ist stark alkalisch.

Beispiel 2: Säure oder Base?

In der Reaktion $\mathrm{NH_{3}} + \mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{NH_{4}^{+}} + \mathrm{Cl^{-}}$ gibt das Chlorwasserstoffmolekül ein Proton ab, das Ammoniakmolekül nimmt es auf. $\mathrm{HCl}$ ist die Säure, $\mathrm{NH_{3}}$ die Base. Das entstehende Salz Ammoniumchlorid siehst du als weißen Rauch, wenn offene Flaschen mit Salzsäure und Ammoniaklösung nebeneinanderstehen.

Merksatz

Alkalische Lösungen enthalten Hydroxid-Ionen. Sie entstehen, wenn sich Metallhydroxide wie Natriumhydroxid in Wasser lösen, oder wenn eine Base wie Ammoniak ein Proton von einem Wassermolekül aufnimmt. Basen sind Protonenakzeptoren, auch das Hydroxid-Ion ist eine Base. Wasser kann je nach Partner Säure oder Base sein.

Übungen

Grundlagen

1. Gib an, welche Ionen in Natronlauge, Kalilauge und Kalkwasser enthalten sind.
2. Stelle die Gleichung für das Lösen von Lithiumhydroxid in Wasser auf.
3. Erkläre, warum Ammoniak eine Base ist.

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4. Beschreibe den Kalkwasser-Nachweis und stelle die Reaktionsgleichung auf.
5. Erkläre an zwei Reaktionen, warum Wasser ein Ampholyt ist.
6. Natriumoxid reagiert mit Wasser zu Natronlauge. Stelle die Reaktionsgleichung auf. Tipp: Das Oxid-Ion $\mathrm{O^{2-}}$ nimmt ein Proton auf.

Knobeln

7. Erkläre, warum alkalische Lösungen sich auf der Haut seifig anfühlen und warum man das trotzdem nicht ausprobieren darf.
8. Natrium reagiert mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoff ($2\,\mathrm{Na} + 2\,\mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_{2}}$). Gib an, welche Teilchen der Lösung nach der Reaktion für die alkalische Wirkung verantwortlich sind, und erkläre, wieso diese Reaktion zusätzlich eine Elektronenübertragung ist.

Lösungen

1. Natronlauge: $\mathrm{Na^{+}}$ und $\mathrm{OH^{-}}$. Kalilauge: $\mathrm{K^{+}}$ und $\mathrm{OH^{-}}$. Kalkwasser: $\mathrm{Ca^{2+}}$ und $\mathrm{OH^{-}}$.
2. $\mathrm{LiOH}\mathrm{(s)} \longrightarrow \mathrm{Li^{+}}\mathrm{(aq)} + \mathrm{OH^{-}}\mathrm{(aq)}$
3. Ein Ammoniakmolekül nimmt ein Proton von einem Wassermolekül auf. Es ist ein Protonenakzeptor und damit eine Base.
4. Man leitet das Gas in klares Kalkwasser. Enthält es Kohlenstoffdioxid, wird das Kalkwasser trüb, weil schwer lösliches Calciumcarbonat entsteht: $\mathrm{Ca(OH)_{2}} + \mathrm{CO_{2}} \longrightarrow \mathrm{CaCO_{3}} + \mathrm{H_{2}O}$.
5. Mit Chlorwasserstoff nimmt Wasser ein Proton auf und wird zum Oxonium-Ion: $\mathrm{HCl} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{Cl^{-}}$. Wasser ist hier Base. Mit Ammoniak gibt Wasser ein Proton ab und wird zum Hydroxid-Ion: $\mathrm{NH_{3}} + \mathrm{H_{2}O} \rightleftharpoons \mathrm{NH_{4}^{+}} + \mathrm{OH^{-}}$. Wasser ist hier Säure.
6. $\mathrm{Na_{2}O} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow 2\,\mathrm{NaOH}$. Das Oxid-Ion nimmt ein Proton von einem Wassermolekül auf, aus beiden entstehen zwei Hydroxid-Ionen.
7. Alkalische Lösungen greifen Fette und Eiweiße der Haut an, die oberste Hautschicht wird zersetzt. Das fühlt sich seifig an, ist aber bereits eine beginnende Verätzung. Besonders in den Augen kann das bleibende Schäden verursachen.
8. Verantwortlich sind die Hydroxid-Ionen $\mathrm{OH^{-}}$. Zusätzlich gibt jedes Natriumatom ein Elektron ab ($\mathrm{Na} \longrightarrow \mathrm{Na^{+}} + \mathrm{e^{-}}$). Diese Elektronen nehmen Wassermoleküle auf: $2\,\mathrm{H_{2}O} + 2\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow \mathrm{H_{2}} + 2\,\mathrm{OH^{-}}$. Es entstehen Wasserstoff und die Hydroxid-Ionen. Elektronenabgabe und -aufnahme zusammen sind eine Redoxreaktion.