Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 12.01.18


Vergleich der Säure-Base-Konzepte von Arrhenius und Brønsted anhand von Beispielen

Vortrag von Janina Munder und Nisanur Minaz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 09/10 bzw. WS 15/16


Gliederung:


Einstieg 1: Neutralisation einer Säure mit einer Base

Zeitbedarf 5 Minuten
Ziel Säuren und Basen neutralisieren sich.
Material
  • Universalindikator-Papier
  • Glasstab
  • 2 Vollpipetten 20ml
  • 2 Bechergläser 50ml
Chemikalien
  • HCl
  • NaOH
Durchführung 1 Von den abgemessenen farblosen Flüssigkeiten wird mit Hilfe des Glasstabs jeweils ein Tropfen auf ein Stück pH-Papier gegeben.
Beobachtung 1 Verfärbungen des pH-Papiers nach rot bzw. blau.
Deutung 1 Bei den beiden farblosen Lösungen handelt es sich um eine Säure (rot) und eine Base (blau).
Durchführung 2 Zusammenschütten der beiden farblosen Lösungen. Anschließend Messen des pH-Werts der Flüssigkeit mit Hilfe des Glasstabs und des pH-Papiers. 
Beobachtung 2 Verfärbung des pH-Papiers nach grün.
Deutung 2 Nach dem Zusammenschütten der beiden Lösungen ist die Flüssigkeit neutral (grün).
Entsorgung Ausguss
Quelle Didaktik Chemie, Universität Bayreuth

Früher hatte man keine anderen Möglichkeiten gehabt bzw. gewusst, als Stoffe mit Hilfe der Sinnesorgane einzuteilen und zu gruppieren, so wurden auch Säuren früher nach ihrem sauren Geschmack definiert. Irgendwann stellte sich diese Methode allerdings doch als etwas problematisch heraus und so wurde nach anderen Kennzeichnungen und Einteilungen von Stoffen gesucht. Dabei wurde unter anderem entdeckt, dass Säuren ihre sauren Eigenschaften verlieren, wenn man sie mit einem bestimmten Stoff, den Basen, mischt.

Beim Mischen verlieren beide der im Versuch verwendeten Lösungen ihre jeweiligen Eigenschaften. Mittlerweile gibt es eine Reihe von Konzepten, die das Verhalten von Säuren und Basen beschreiben und mit deren Hilfe sich auch derartige Neutralisationsreaktionen erklären lassen. Zwei davon werden im Folgenden vorgestellt: das Konzept von Arrhenius und das von Brønsted.

Einstieg 2: In einer Prüfung behauptet die Schülerin auf Grund ihres Wissens, dass die Schwefelsäure eine Arrhenius-Säure ist. Der Lehrer allerdings streicht diese Antwort durch und wertet diese Aussage der Schülerin als falsch. Denn er ist der Meinung, dass die Schwefelsäure eine Brønsted-Säure ist. Wer von den Beiden hat nun Recht?


1 Konzept nach Arrhenius


Abb.1: Svante Arrhenius (1859 - 1927) [6]

Versuch 1: pH-Wert der Zitronensäure

Zeitbedarf 3 Minuten
Ziel pH-Wert, Oxonium-Ionen
Material
  • Löffelspatel
  • Uhrglas
  • Universalindikator-Papier
  • dest. Wasser
Chemikalien
  • Zitronensäure
Durchführung 1 Man gibt zwei bis drei Löffel Zitronensäure auf das Uhrglas und berührt sie anschließend mit dem Universalindikator-Papier.


Abb. 2: links Zitronensäuregrana mit Indikatorpapier
rechts gelöste Zitronensäure mit nassem Indikatorpapier.

Beobachtung 1 Keine Änderung der pH-Papierfarbe.
Durchführung 2 Man gibt ein wenig Wasser auf die Zitronensäure und misst nun erneut den pH-Wert mit dem pH-Papier.
Beobachtung 2 Verfärbung des pH-Papiers nach rot.
Deutung Der pH-Wert einer Säure gibt die Konzentration von Oxonium-Ionen an. Bei der Zitronensäure in fester Form sind die Protonen der Säure noch gebunden. Wird Wasser hinzugegeben, löst sich die Zitronensäure, indem sie ihre Protonen an das Wasser abgibt. Wasser fungiert somit als Lösungsmittel. Die dabei entstehenden Oxonium-Ionen lassen sich mit dem pH-Papier nachweisen.

C5H7O5COOH(s) + H2O C5H7O5COO- + H+

Entsorgung Ausguss
Quelle Didaktik Chemie, Universität Bayreuth, Experimentierkurs

Frage: Warum lässt sich der pH-Wert der Zitronensäure erst nach der Zugabe von Wasser messen?

Dazu wird zunächst die Strukturformel der Säure betrachtet. Die Zitronensäure besitzt drei Carboxylgruppen:

 
Abb. 3: Strukturformel der Zitronensäure

Bei der Frage hilft Arrhenius weiter. Dieser nahm an, dass die Moleküle der Säuren und Basen beim Vorgang des Lösens in Wasser in Kationen und Anionen zerfallen bzw. die Moleküle in entgegengesetzt geladene Ionen auseinanderweichen, also dissoziieren.

Die Zitronensäure dissoziiert demnach in wässrigem Medium in ein Kation und ein Anion. Da sich der pH-Wert der Säure im wässrigen Medium messen ließ, liegt die Vermutung nahe, dass bei der Dissoziation Wasserstoffionen frei werden.

Somit ergibt sich:


Abb. 4: Dissoziation der Zitronensäure

Zitronensäure gibt im wässrigen Medium ein (bzw. bis zu drei) Wasserstoffion(en) ab. Übrig bleibt das Säurerestanion.

Arrhenius-Säuren und -Basen lassen sich demnach wie folgt definieren:

Säure: Arrhenius-Säuren dissoziieren in wässriger Lösung in
Wasserstoff-Kationen (H+) und Säurerest-Anionen.

Base: Arrhenius-Basen dissoziieren in wässriger Lösung in Hydroxid-Anionen
(OH-) und Metall-Kationen.

Beispiele:


Abb. 5: Beispiele für die Definition nach Arrhenius

Kann man dies auch auf die Reaktion zu Beginn des Vortrags beziehen?

Dabei handelte es sich um eine 0,1 molare Salzsäure und eine 0,1 molare Natronlauge. Säure und Base liegen also dissoziiert vor. Mischt man sie, dann ergibt sich folgende Gesamtreaktion:

HCl H+ + Cl-

NaHCO3 + H+ Na+ + H2CO3

HCl + NaHCO3 NaCl + H2CO3

Die entstandene Lösung reagiert weder basisch noch sauer. Es handelt sich um eine neutrale Lösung, die sich so verhält wie eine Lösung von Kochsalz NaCl in Wasser.

Die Umsetzung:

Säure + Base Salz + Wasser

Die eigentliche chemische Reaktion jeder Neutralisation ist dabei die Vereinigung von Protonen und Hydroxidionen zu Wassermolekülen: 

H+ + OH-H2O

Diese erste allgemeingültige Säure-Base-Theorie von Arrhenius wurde 1883 bekannt. Für die damalige Zeit ergab sich dadurch eine neue Sichtweise in Bezug auf Säuren und Basen. Denn Arrhenius erkannte, dass die sauren Eigenschaften einer Lösung durch die Wasserstoffionen (H+) und die basischen Eigenschaften durch Hydroxidionen (OH-) zustande kommen. Durch die Entdeckung der Dissoziation konnte auch die Stärke einer Säure bestimmt werden, denn je höher der Grad der Dissoziation einer Säure, desto stärker ist die Säure. Weiterhin wurde die Wechselwirkung zwischen den Antagonisten Säure und Base auf der Grundlage der Reaktion von Hydroxidionen und Wasserstoffionen verständlich (Vorgang der Neutralisation). Der entscheidende neue Aspekt war, dass die Definition von Säure und Base in den submikroskopischen Bereich der Modellvorstellungen verlegt wird.

Allerdings weist das Konzept auch deutliche Mängel auf. Zum einen ist es nur auf Säuren und Basen in wässriger Lösung anwendbar. Zum anderen müssen Säuren Wasserstoffionen enthalten und Basen müssen Hydroxy-Verbindungen sein.

Das Konzept wurde von Brønsted weiter entwickelt.


2 Konzept von Brønsted


Abb. 6: Johannes Nicolaus Brønsted (1879 - 1947) [7]

Brønsted modifizierte die Säuredefinition von Arrhenius (1923). Bis dahin gab es keinen experimentellen Anhaltspunkt dafür, dass freie Wasserstoffionen in wässrigen Systemen existieren, so dass man davon aus ging, dass sich die Wasserstoffionen im Augenblick ihres Freiwerdens bei der Dissoziation mit einem Wassermolekül zu einem Oxonium-Ion (H3O+) vereinigen. Säure-Base-Reaktion sind demnach auf Wasserstoffionenübergänge zurückzuführen. Auf dieser Grundlage entwickelte Brønsted eine auf Protonen bezogene Säure-Base-Definition:

Brønsted-Säuren sind Teilchen, die Wasserstoff-Kationen abspalten können. Sie werden Protonendonatoren genannt.

Basendefinition ist nunmehr nicht mehr analog, sondern komplementär formuliert:

Brønsted-Basen sind Teilchen, die Wasserstoff-Kationen aufnehmen können. Sie werden Protonenakzeptoren genannt.

Anders dargestellt:


Abb. 7: Protonenabgabe

Eine Säure gibt ein Proton ab und wird dabei zur Base. Es handelt sich dabei um eine Gleichgewichtsreaktion. Man bezeichnet die Säure und die aus ihr entstehende Base als konjugiertes Säure-Base-Paar.

Ausgehend von der Annahme, dass freie Protonen in einer Lösung nicht existieren können, kann die Abspaltung des Protons nicht als isolierte Reaktion gesehen werden. Deshalb muss sie mit einer zweiten Reaktion gekoppelt sein, bei der das Proton wieder aufgenommen wird. Daher ist zusätzlich eine Base nötig, die das freiwerdende Proton wieder aufnimmt.


Abb. 8: Protonenaufnahme

Somit ergibt sich für die gesamte Protonenübergangsreaktion:


Abb. 9: Gesamte Protonenübergangsreaktion

An einer Protonenübergangsreaktion (Protolysereaktion) sind immer zwei Säure-Base-Paare beteiligt, zwischen denen ein Gleichgewicht existiert. Säure-Base-Reaktionen werden als Protolysen bezeichnet.

Beispiel: Reaktion von H2SO4 und NH3

H2SO4 ist eine Säure und kann demnach Protonen abspalten. Das dabei entstehende HSO4- - Ion ist eine Base, da es Protonen aufnehmen kann. Die Schwefelsäure kann das Proton jedoch nicht abgeben, wenn keine Base vorhanden, die es aufnimmt. Darum braucht man das Ammoniak. Ammoniak wirkt als Base, da es das abgegebene Proton aufnehmen kann.

Die Gesamtreaktion sieht also folgendermaßen aus:


Abb. 10: Reaktionsgleichung der Reaktion von Schwefelsäure mit Ammoniak

Versuch 2: Neutralisationsreaktion von Magensäure und Natriumhydrogencarbonat

Zeitbedarf 4 Minuten
Ziel Neutralisationreaktion
Material
  • 2 Vollpipetten 20mL
  • Universalindikator
  • 2 Bechergläser 50mL
Chemikalien
  • HCl
NaHCO3
Zunächst werden die Säure und die Lauge im gleichen Mengenverhältnis abgemessen und in Bechergläser gegeben. Anschließend werden in jede der Flüssigkeiten einige Tropfen Universalindikator gegeben.
Durchführung 1
Beobachtung 1 Die Säure erscheint rot, die Lauge grün.
Durchführung 2 Nun wird die Lauge zur Säure geschüttet. 
Beobachtung 2 Die Lösung verfärbt sich gelb.
Deutung Die Säure wird durch das Natriumhydrogencarbonat neutralisiert. So schützt sich die Magenschleimhaut vor der Säure im Magen. Protonenabspaltung und Protonenaufnahme:

HCl H+ + Cl-

NaHCO3 + H+ Na+ + H2CO3

HCl + NaHCO3 NaCl + H2CO3

Entsorgung Ausguss
Quelle http://www.seilnacht.com/Lexikon/Neutrali.htm (Stand: 01.12.2017)

Versuch 3: Herstellung von Ammoniumchlorid

Zeitbedarf 5 Minuten
Ziel Nachweis Brönsted-Säure-Base-Reaktion
Material
  • Stativ
  • Klemme
  • Glasrohr
  • Wattebausch
  • Tiegelzange
  • Muffe
Chemikalien HCl NH3
Durchführung Ein Wattebausch wird in konzentriertem Ammoniak eingetaucht. Ein anderes Wattebausch wird in konzentrierte Salzsäure eingetaucht und die Wattebäusche werden jeweils an die Enden des Glasrohr gesteckt.


Abb. 11: Ammoniumchlorid

Beobachtung Im Glasrohr entsteht Rauch
Deutung Salzsäure gibt ein Proton an den gasförmigen Ammoniak ab und es entsteht Ammoniumchlorid, welches mit Luft Rauch bildet.

An der Reaktionsgleichung ist zu erkennen, dass der Arrhenius-Konzept bei diesem Versuch nicht anwendbar ist. Denn nach Arrhenius wäre Ammoniak keine Base. Daher handelt es sich bei dieser Reaktion um eine Brønsted-Säure-Base-Reaktion. Bei der Säure-Base-Theorie von Brønsted sind Basen solche Stoffe, die Protonen aufnehmen können (Protonenakzeptor). Ammonium fungiert in der obigen Reaktion als Protonenakzeptor, da es Protonen aufnimmt.

NH3(g) + HCl (g)  → NH4Cl (s)

Entsorgung Rückstandsbehälter
Quelle Häusler/Rampf/Reichelt, Experimente für den Chemieunterricht - mit einer Einführung in die Labortechnick, Oldenbourg, München 1991

3 Vergleich der beiden Konzepte

 

Arrhenius

Brönsted

Rolle des Wassers

fungiert als Lösungsmittel fungiert als Säure und Base

Basen-definition

analog zur Säuredefinition formuliert komplementär zur Säuredefinition formuliert

Eingrenzung der Stoffklassen

fixierte Stoffklassen: Basen müssen Metallhydroxide, Säuren müssen Wasserstoffverbindungen sein Konzept nur auf Wasserstoffverbindungen anwendbar (Eingrenzung der Säuren)

Aber: Auch Stoffe, die keine Hydroxidionen enthalten, werden als Basen gesehen (keine Eingrenzung der Basen)

Kationen und Anionen können Säure oder Base sein, z.B. HSO4-, NH4+ 

Stoff kann sowohl Säure als auch Base sein (Ampholyte), z.B. H2O, NH3


Zusammenfassung 1: Arrhenius hat den Begriff der Dissoziation eingeführt und erkannt, dass die sauren Eigenschaften einer Lösung durch H+ - Ionen, die basischen Eigenschaften durch OH - - Ionen zustande kommen. Deshalb lauten seine Definitionen: Arrhenius-Säuren sind Stoffe, deren Moleküle in wässriger Lösung in Wasserstoffionen (H+) und Säurerestionen dissoziieren. Arrhenius-Basen sind Stoffe, deren Moleküle in wässriger Lösung in Hydroxidionen (OH-) und Metallionen dissoziieren.

Brønsted hat das Konzept von Arrhenius weiterentwickelt und ging, basierend auf der Annahme, dass keine freien Protonen in einer Lösung existieren können, davon aus, dass Säure-Base-Reaktionen auf Protonenübergangsreaktionen zurückzuführen sein müssen. Säuren und Basen sind hier nicht durch einen schlichten Aufspaltungsvorgang gekennzeichnet, sondern durch das Reaktionsverhalten der Moleküle. Er hat deshalb Säuren und Basen komplementär formuliert: Brønsted-Säuren sind Stoffe, die Protonen (H+- Ionen) abspalten können (Protonendonatoren). Brønsted-Basen sind Stoffe, die Protonen (H+- Ionen) aufnehmen können (Protonenakzeptoren). Es müssen immer zwei konjugierte Säure-Base-Paare an der Reaktion beteiligt sein. Eine Säure lässt sich demnach nicht ohne Base und eine Base nicht ohne Säure definieren. Ein Mangel des Konzepts besteht darin, dass es nur auf wasserstoffhaltige Verbindungen anwendbar ist und somit die Stoffklasse der Säuren eingegrenzt ist.

Zusammenfassung 2: Da nun beide Konzepte näher erläutert worden sind, kann man sagen, dass sowohl der Lehrer als die Schülerin Recht haben.

Nach Arrhenius ist die Schwefelsäure, eine Säure, die in wässriger Lösung durch Dissoziation Protonen bildet.

H2SO42H+ + SO42-

Nach Brønsted ist die Schwefelsäure ein Stoff, welches Protonen abspaltet (Protonendonator).

H2SO4 + H2OH3O+ + HSO4-


Abschluss 1 und 2: Um die Begriffe Säure und Base haben sich in der Chemie verschiedene Konzepte entwickelt, die auf unterschiedliche Begriffdefinitionen beruhen. Grund dafür ist einerseits, dass man auf der Suche nach einer möglichst umfassenden und allgemeingültigen Definition ist, anderseits nach einen bestimmten Anwendungsbereich eines Konzeptes. Die Definition nach Brønsted ist eher einer speziellere Definition, hat aber eine sehr breite Anwendung in der Chemie und ist die üblichste Grundlage der Säure-Base-Definition.


Literatur:

  1. Riedel, E. (1990). „Anorganische Chemie“. 2. Auflage. Berlin, New York: de Gruyter.
  2. Gutmann, V.;  Hengge, E. (1990). „Anorganische Chemie – Eine Einführung“. 5. Auflage. Weinheim, New York, Basel, Cambrige: VCH.
  3. Hammer, H.O. (1995). „Säure-Base-Vorstellungen; Geschichtliche Entwicklungen eines Begriffspaares“ in PdN Chemie, 44, 1995, 1.
  4. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/v_chemie/4_sb_konzepte.htm (Stand: 01.12.2017)  
  5. https://de.wikipedia.org/wiki/S%C3%A4ure-Base-Konzepte (Stand: 10.01.18)
  6. http://www.chemcool.com/biography/bronsted.htm (Stand: 01.12.2017, Autor Peter Elfelt, Lizenz: Public Domain)
  7. Häusler (1991). "Experimente für den Chemieunterricht - mit einer Einführung in die Labortechnik." München: Oldenbourg.
  8. http://www.chemie.de/lexikon/S%C3%A4ure-Base-Konzepte.htmltml (Stand: 01.12.2017)

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