Säuren als Protonendonatoren: Salzsäure, Essig, Kohlensäure

Einstieg: Ein Gas, das sauer macht

Chlorwasserstoff ist ein farbloses Gas. Trocken leitet es keinen Strom und verändert trockenes Indikatorpapier nicht. Leitet man es aber in Wasser, wird die Lösung stark sauer, leitet den Strom und löst Kalk und unedle Metalle auf. Diese Lösung heißt Salzsäure, und sie kommt auch in deinem Magen vor. Was passiert, wenn Chlorwasserstoff auf Wasser trifft?

Erklärung: Protonenübertragung

Ein Chlorwasserstoffmolekül $\mathrm{HCl}$ besteht aus einem Wasserstoffatom und einem Chloratom. Trifft es auf ein Wassermolekül, gibt es sein Wasserstoff-Ion an das Wassermolekül ab. Ein Wasserstoffatom ohne sein Elektron ist nur noch ein einzelnes Proton $\mathrm{H^{+}}$. Das Elektron bleibt beim Chlor.

$\mathrm{HCl} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{Cl^{-}}$

Es entstehen ein Oxonium-Ion $\mathrm{H_{3}O^{+}}$ und ein Chlorid-Ion $\mathrm{Cl^{-}}$. Die Oxonium-Ionen sind für die sauren Eigenschaften verantwortlich, die Ionen insgesamt für die Leitfähigkeit.

Diese Sichtweise stammt von Johannes Brønsted (1923):

• Eine Säure ist ein Teilchen, das ein Proton abgibt: ein Protonendonator.
• Eine Base ist ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt: ein Protonenakzeptor.

Im Beispiel ist das Chlorwasserstoffmolekül die Säure, das Wassermolekül die Base. Eine solche Reaktion heißt Säure-Base-Reaktion oder Protonenübertragungsreaktion. Säure und Base treten immer gemeinsam auf: Ein Proton kann nur abgegeben werden, wenn ein anderes Teilchen es aufnimmt.

Achte auf die Sprache: Die Lösung heißt Salzsäure, das Teilchen, das ein Proton abgibt, ist die Säure. Das Ion, das nach der Abgabe übrig bleibt, heißt Säurerest-Ion.

Wichtige Säuren

Säure (Teilchen)	Name der Lösung	Säurerest-Ion	Vorkommen
$\mathrm{HCl}$ Chlorwasserstoff	Salzsäure	$\mathrm{Cl^{-}}$ Chlorid	Magensaft, Reiniger
$\mathrm{CH_{3}COOH}$ Essigsäure (Ethansäure)	Essigsäurelösung, Essig	$\mathrm{CH_{3}COO^{-}}$ Acetat	Speiseessig
$\mathrm{H_{2}CO_{3}}$ Kohlensäure	Kohlensäurelösung	$\mathrm{HCO_{3}^{-}}$ Hydrogencarbonat, $\mathrm{CO_{3}^{2-}}$ Carbonat	Sprudel
$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$ Schwefelsäure	Schwefelsäure	$\mathrm{HSO_{4}^{-}}$ Hydrogensulfat, $\mathrm{SO_{4}^{2-}}$ Sulfat	Autobatterie
$\mathrm{HNO_{3}}$ Salpetersäure	Salpetersäure	$\mathrm{NO_{3}^{-}}$ Nitrat	Düngerherstellung

Bei der Essigsäure gibt nur das Wasserstoffatom am Sauerstoff ein Proton ab, die drei Wasserstoffatome am Kohlenstoff nicht. Schwefelsäure und Kohlensäure können zwei Protonen nacheinander abgeben.

Versuch: Säuren reagieren mit Kalk und mit Magnesium

Material: verdünnte Salzsäure ($c = 1\,\text{mol/L}$, von der Lehrkraft ausgegeben), Speiseessig, Marmorstückchen oder Eierschale, Magnesiumband (2 cm), Reagenzgläser, Stopfen mit gebogenem Gasableitungsrohr, Kalkwasser, Schutzbrille.

Durchführung: Gib je ein Stück Marmor in ein Reagenzglas mit Salzsäure und eines mit Essig. Verschließe das Glas mit dem Stopfen und leite das entstehende Gas durch das Rohr in Kalkwasser. Gib in ein drittes Reagenzglas mit Salzsäure ein Stück Magnesiumband, halte ein zweites Reagenzglas umgekehrt darüber, sammle das Gas und halte die Öffnung an eine Flamme.

Beobachtung: Am Marmor sprudelt ein Gas, Kalkwasser wird trüb: Kohlenstoffdioxid. Am Magnesium entsteht ein Gas, das mit einem pfeifenden Geräusch verbrennt (Knallgasprobe): Wasserstoff.

$\mathrm{CaCO_{3}} + 2\,\mathrm{H_{3}O^{+}} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}} + \mathrm{CO_{2}} + 3\,\mathrm{H_{2}O}$

$\mathrm{Mg} + 2\,\mathrm{H_{3}O^{+}} \longrightarrow \mathrm{Mg^{2+}} + \mathrm{H_{2}} + 2\,\mathrm{H_{2}O}$

Sicherheit: Schutzbrille. Auch verdünnte Salzsäure ist für die Augen gefährlich. Spritzer auf der Haut sofort mit viel Wasser abspülen. Für die Knallgasprobe nur das kleine Gasvolumen aus einem Reagenzglas verwenden, nie größere Mengen. Für den Kalkversuch reicht auch Essig.

Beispiele

Beispiel 1: Salpetersäure in Wasser

Ein Salpetersäuremolekül gibt ein Proton an ein Wassermolekül ab:

$\mathrm{HNO_{3}} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{NO_{3}^{-}}$

Säure: $\mathrm{HNO_{3}}$. Base: $\mathrm{H_{2}O}$. Es entstehen Oxonium-Ionen und Nitrat-Ionen.

Beispiel 2: Entkalken

Im Wasserkocher bildet sich Kalk ($\mathrm{CaCO_{3}}$). Ein Entkalker mit Zitronensäure oder Essigsäure liefert Oxonium-Ionen. Diese reagieren mit den Carbonat-Ionen des Kalks, Kohlenstoffdioxid entweicht, die Calcium-Ionen gehen in Lösung. Der Kalk verschwindet. Auch der Zahnschmelz wird von Säuren angegriffen. Er besteht aus Hydroxylapatit, einem calciumhaltigen Mineral, das sich in saurer Lösung langsam löst. Häufige saure Getränke schaden deshalb den Zähnen.

Merksatz

Säuren sind Teilchen, die Protonen abgeben (Protonendonatoren). Basen sind Teilchen, die Protonen aufnehmen (Protonenakzeptoren). Löst man eine Säure in Wasser, überträgt sie Protonen auf Wassermoleküle. Es entstehen Oxonium-Ionen und Säurerest-Ionen. Saure Lösungen reagieren mit unedlen Metallen zu Wasserstoff und mit Kalk zu Kohlenstoffdioxid.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre die Begriffe Protonendonator und Protonenakzeptor.
2. Stelle die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Bromwasserstoff ($\mathrm{HBr}$) mit Wasser auf und benenne die entstehenden Ionen.
3. Nenne die Säurerest-Ionen von Salzsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure.

Weiter

4. Schwefelsäure gibt ihre beiden Protonen nacheinander an Wassermoleküle ab. Stelle beide Reaktionsgleichungen auf.
5. Erkläre, warum trockener Chlorwasserstoff den Strom nicht leitet, Salzsäure aber schon.
6. Eine Eierschale löst sich in Essig unter Sprudeln auf. Erkläre die Beobachtung und nenne einen Nachweis für das Gas.

Knobeln

7. Stelle die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Zink mit einer sauren Lösung auf. Zink bildet $\mathrm{Zn^{2+}}$-Ionen.
8. Ein Mitschüler sagt: „Essigsäure ist eine Säure, weil sie Wasserstoff enthält.“ Methan $\mathrm{CH_{4}}$ enthält auch Wasserstoff. Beurteile die Begründung.

Lösungen

1. Ein Protonendonator ist ein Teilchen, das ein Proton ($\mathrm{H^{+}}$) abgibt, also eine Säure. Ein Protonenakzeptor ist ein Teilchen, das ein Proton aufnimmt, also eine Base.
2. $\mathrm{HBr} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{Br^{-}}$. Es entstehen Oxonium-Ionen und Bromid-Ionen.
3. Chlorid ($\mathrm{Cl^{-}}$), Nitrat ($\mathrm{NO_{3}^{-}}$), Hydrogensulfat ($\mathrm{HSO_{4}^{-}}$) und Sulfat ($\mathrm{SO_{4}^{2-}}$).
4. $\mathrm{H_{2}SO_{4}} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{HSO_{4}^{-}}$ und $\mathrm{HSO_{4}^{-}} + \mathrm{H_{2}O} \longrightarrow \mathrm{H_{3}O^{+}} + \mathrm{SO_{4}^{2-}}$.
5. Trockener Chlorwasserstoff besteht aus ungeladenen Molekülen. Erst in Wasser werden Protonen übertragen, und es entstehen bewegliche Ionen, die den Strom leiten.
6. Die Eierschale besteht vor allem aus Calciumcarbonat. Die Oxonium-Ionen aus dem Essig reagieren mit dem Carbonat zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Nachweis: Das Gas in Kalkwasser leiten, es trübt sich.
7. $\mathrm{Zn} + 2\,\mathrm{H_{3}O^{+}} \longrightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + \mathrm{H_{2}} + 2\,\mathrm{H_{2}O}$
8. Die Begründung reicht nicht. Entscheidend ist, ob ein Teilchen Protonen an andere Teilchen abgeben kann. Methan gibt keine Protonen an Wasser ab, seine Lösung ist neutral. Auch in der Essigsäure gibt nur eines der vier Wasserstoffatome ein Proton ab.