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Säuren und Basen

Historisches

Die Begriffe „Säuren“ und „Basen“ haben im Laufe der Entwicklung der Chemie mehrmals tiefgreifende Wandlungen erfahren. Die Bezeichnung „Säure“ wird bereits seit vielen Jahrhunderten verwendet; sie wurde zuerst auf saure Pflanzensäfte angewendet. Die wichtigsten Mineralsäuren sind etwa seit 1200 bekannt; etwa bis zum 17.Jh. wurden die Säuren allein durch ihren sauren Geschmack, ihre Wasserlöslichkeit und ihr hohes Auflösungsvermögen charakterisiert. Den chemischen Begriff „Säure“ und „Base“ findet man erstmals bei Otto Tachenius (1666). Eine klare phänomenologische Definition des Begriffes Säure stammt von R. Boyle: Demnach ist eine Säure ein Stoff, der mit Kreide aufbraust, aus Schwefelleber Schwefel ausfällt, gewisse Pflanzenfarbstoffe rötet und durch eine Base neutralisiert wird, wodurch alle diese Eigenschaften aufgehoben werden. (Durch Zusammenschmelzen von 1Tl. Schwefel u. 2Tl. Pottasche bei 250°C (Luftabschluß wichtig, sonst verbrennt der Schwefel) erhält man die sogenannte Schwefelleber (Hepar sulfuris): In frischem Zustand lederbraune bis grüngelbe Stücke, die sich in Wasser fast vollständig mit alkalischer Reaktion u. gelbgrüner Farbe lösen. Sie ist ein Gemisch aus Kaliumpolysulfid, Kaliumsulfat u. Kaliumthiosulfat). Eine Säure ist demnach eine Antibase und eine Base ist eine Antisäure (diese Bezeichnungen sollen allerdings von Bjerrum stammen). Die Klärung des Säure- Base- Begriffes wurde zunächst aufgrund der Molekülstruktur versucht. Lémery äußerte die Ansicht, die kleinsten Teilchen von sauren Stoffen hätten eine spitze Gestalt und die Basen hätten poröse Molekeln. Die Neutralisation bestehe dann in dem Eindringen der Spitzen in die Poren. Demnach sollte eine besondere Gestalt oder Struktur der Molküle die Eigenschaft sauer bewirken. Auch Sir H. Davy hatte 1814 den Gedanken geäußert, wonach eine bestimmte Anordnung der Moleküle saure Eigenschaften bedinge. Lavoisier glaubte, den Sauerstoff als das saure Prinzip ansprechen zu können, Liebig wies dagegen dem Wasserstoff diese Rolle zu, allerdings nur dem Wasserstoff, der durch Metalle ersetzt werden kann.

Nach Begründung der Ionentheorie durch Arrhenius wurde das Wasserstoffion (der Name Proton hierfür stammt von Sir E. Rutherford) als der alleinige Träger der Eigenschaft sauer und analog das Hydroxidion als der alleinige Träger der Eigenschaft basisch bezeichnet. 1909 führte Sørensen den Begriff des pH ein. In den zwanziger Jahren setzte dann unabhängig voneinander durch Lowry in Cambridge und Brønsted in Kopenhagen die moderne Entwicklung des Säure-Base-Begriffes ein, der sich zunächst ausschließlich mit dem System Wasser beschäftigte, von Brønsted anschließend aber auf Säure Base Reaktionen in nichtwäßrigen Lösungsmitteln erweitert wurde.

Säure- Base- Definitionen

Das Konzept von Arrhenius und Ostwald Auf der Grundlage ihrer Untersuchungen zur elektrolytischen Dissoziation wurden 1884 von Arrhenius folgende Definitionen entwickelt: Säuren sind Wasserstoffverbindungen (konstitutionelles Merkmal), die in wässriger Lösung Wasserstoffionen H+ liefern (funktionelles Kriterium). Basen sind Hydroxylverbindungen konstitutionelles Merkmal), die in wässriger Lösung Hydroxidionen OH– bilden (funktionelles Kriterium). Die Bildung der für Säuren bzw. Basen charakteristischen …

Das Konzept von Cady und Elsey

Mit dem Solvenskonzept von Cady und Elsey wurde eine Übertragung des Arrhenius- Konzeptes auf nichtwässrige Systeme versucht. Dabei wurde die Autoprotolyse des Wassers durch Analogiebetrachtungen auf nichtwässrige Lösungsmittelsysteme übertragen. Es gelten dann folgende Definitionen: Säuren sind Substanzen, die die Konzentration an lösungsmitteleigenen Kationen X+ (Lyoniumionen) erhöhen. Basen sind Substanzen, die die Konzentration an lösungsmitteleigenen Anionen …

Das Konzept von Brönsted und Lowry

Als ein weiterer wichtiger Schritt zu einem allgemeingültigeren Säure- Base Konzept ist die Definition nach Brönstedt und Lowry anzusehen. Während die Arrhenius=sche Definition symmetrisch ist, ist diese Definition unsymmetrisch. Sie beruht im wesentlichen darauf, daß die klassische Säure- Base Definition auf Protonenübertragungsreaktionen ausgedehnt wurde. Es gilt daher: Säuren sind Moleküle oder Ionen, die Protonen abgeben …

Das Säure-Base Konzept von Lewis

Auch die Definition von Brönstedt war nicht in der Lage, alle Beobachtungen zu erklären. So zeigen z.B Stoffe wie SO3, BF3 und AlCl3 beim Auflösen in Wasser eine saure Reaktion, obwohl sie keine wasserstoffhaltigen Verbindungen sind. Auch aprotische Systeme waren nach Brönstedt bisher noch nicht erfasst. Aus diesem Grund schuf Lewis (1923, 1938) ein neues Säure-Base …

Base- Antibase Konzept von Bjerrum

Eine andere Erweiterung des Säure- Base- Konzeptes besteht darin, das man Ionenaustauschvorgängen als Säure- Base Reaktionen beschreibt. Solche Ionenaustauschvorgänge sind nicht an Lösungen gebunden sondern können z.B. in Salzschmelzen ablaufen. Diese Reaktion stellt eine Übertragung von Oxidionen (O2-) vom basischen Teilchen (Natriumcarbonat) auf das saure Teilchen (Kaliumdisulfat) dar. Man bezeichnet diesen Reaktionstyp auch als Oxidotropie. …

Das Konzept von Usanovic

Man kann die Säure- Base Definitionen noch mehr erweitern, indem man Elektronenübertragungen mit berücksichtigt. Auf diese Art und Weise lassen sich dann auch Redoxreaktionen als Säure- Base Reaktionen beschreiben. Auf diesem Gedankengang basiert das allumfassende Konzept von Usanovic! Säuren sind Stoffe, die Wasserstoffionen oder andere Kationen abspalten (Kationendonatoren) bzw. Anionen oder Elektronen aufnehmen können (Anionen- akzeptoren, …

Das HSAB- Konzept von Pearson

Das Konzept von Pearson baut auf dem Konzept von Lewis auf und läßt somit Redoxreaktionen außer Betracht. Bei seinem Konzept geht Pearson davon aus, daß jede chemische Bindung als eine Vereinigung einer Lewis-Säure mit einer Lewis- Base zu einem Säure-Base Komplex beschrieben werden kann.  Das HSAB-Konzept von Pearson versucht Aussagen über die Lage des Säure-Base-Gleichgewichtes …

Quantitative Beschreibung von Säure- Base Gleichgewichten

Grundlagen Grundlage der quantitativen Beschreibung der Säure- Base Gleichgewichte bildet das Konzept von Brönstedt und Lowry. Die Lage des Protolysegleichgewichtes hängt einerseits von der Protonendonatoreigenschaft der Säure und der Protonenakzeptoreigenschaft der Base ab. Da beide Eigenschaften strukturelle Ursachen haben, ist eine eine Absolutangabe der Säurestärke nicht möglich. Man kann nur relative Säurestärke bei Anwendung einer …

Autoprotolyse des Wassers

Konvention: Für das hydratisierte Proton wird i. A. H+ geschrieben!  Aktivität: In der physikalischen Chemie tritt die Aktivität an die Stelle der „wahren“ Konzentration und drückt demgegenüber die „wirksame“ Konzentration von Atomen, Ionen oder Molekülen aus, d.h. sie ist das Konzentrationsmaß, das in die für ideale Mischungen und Lösungen abgeleiteten Gesetze (wie z.B. das Massenwirkungsgesetz) …

Die Stärke von Säuren und Basen in wäßriger Lösung

Für die Reaktion von HA mit Wasser läßt sich wiederum das MWG formulieren (1). Im Falle verdünnter wässriger Lösungen kann die Aktivität des Wassers 1 gesetzt werden, daraus folgt für die Säurekonstante KS entsprechend Gleichung (2).  Durch analoge Betrachtungen gelangt man zur Basekonstante KB entsprechend Gleichung (3). Auch bei diesen Konstanten benutzt man lieber ihren …

Säure- Base Reaktionen

Wir betrachten dabei nichts weiter als die Reaktion zweier korrespondierender Säure -Base Paare! Für beide Teilsysteme kann man die Säurekonstante definieren (sprich das MWG der jeweiligen Teilreaktion). Das sich dabei einstellende Gleichgewicht ist durch eine bestimmte Wasserstoffionenkonzentration bestimmt. Für die Gesamtreaktion folgt dann die Gleichung, wie rechts beschrieben.Zur Beschreibung der Lage des Gleichgewichtes kann man folgendes …

Säure- Base Titration

Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Säure- Base Titration. Dabei handelt es sich um die maßanalytische Konzentrationsbestimmung von Säuren oder Base. Dazu läßt man i. A. Die Lösung einer Säure mit bekannter Konzentration mit der zu bestimmenden Base (oder umgekehrt) reagieren. Man bestimmt den Punkt, an dem sich äquivalente Mengen Säure und Base miteinander umgesetzt haben. Der …

pH- Indikatoren

Wie aus beidem Abbildungen und der für pT abgeleiteten Formel ersichtlich, wird der Äquivalenzpunkt für verschiedene Säuren (für Basen gilt adequat pH =pT= 1/2(pKS -lg c0) bei unterschiedlichen pH-Werten erreicht. Daher ist es notwendig, sowohl für Titration und i.A. für Säuren/ Basen eine Möglichkeit der pH- Wertbestimmung zu besitzen. Das geht einerseits auf elektrochemischen Wege, z. …

Puffersysteme

Betrachtet man einmal eine Titrationskurve näher, so findet man Bereiche, in denen sich trotz stetigem Zusatz von H+ bzw. OH– Ionen der pH- Wert nur wenig ändert. Es hat sich nun gezeigt, daß gerade Mischungen aus einer mittelstarken Säure mit ihrer korrespondierenden Base Lösungen bilden, in denen bei Zugabe begrenzter Mengen an starken Säuren oder Basen …

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