Protolyse: Protonenübertragung einfach erklärt

Stell dir zwei Teilchen vor: Das eine kann ein Proton abgeben, das andere kann es aufnehmen. Treffen beide zusammen, kann ein Protonenübergang stattfinden. Nach Brønsted gelten diese Rollen: Eine Säure gibt ein Proton ab. Sie ist der Protonendonator. Eine Base nimmt ein Proton auf. Sie ist der Protonenakzeptor. Ein Proton ist hier ein positiv geladenes Wasserstoffteilchen, geschrieben als \ce{H+}.

Ein Säuremolekül benötigt dafür ein abspaltbares, polar gebundenes Wasserstoffatom. Ein Protonenakzeptor benötigt ein freies Elektronenpaar, an das sich das Proton binden kann. „Polar gebunden“ bedeutet: Die Bindungselektronen sind ungleich verteilt. Ein freies Elektronenpaar sind zwei Elektronen, die noch keine Bindung zu einem anderen Atom bilden.

Nach der Protonenübertragung wird aus der Säure ihre korrespondierende Base. Aus der Base wird ihre korrespondierende Säure. Die beiden Teilchen eines Paares unterscheiden sich genau um ein Proton. Bei \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} gibt Hydrogenchlorid ein Proton an Wasser ab. Die Paare sind \ce{HCl/Cl-} und \ce{H3O+/H2O}. Die entstehenden Ionen erklären die Leitfähigkeit der sauren Lösung.

Zum Aufstellen einer Gleichung bestimmst du zuerst Säure und Base. Entferne bei der Säure ein \ce{H+} und füge es bei der Base hinzu. Prüfe dann die Anzahl der Atome und die Gesamtladung auf beiden Seiten. Ein Pfeil allein verrät die Rollen nicht; maßgeblich ist die betrachtete Reaktionsrichtung. Zum Beispiel wird aus \ce{HSO4-} durch Abgabe von \ce{H+} das Ion \ce{SO4^2-}: vier O-Atome bleiben erhalten, die Ladung sinkt von einfach auf zweifach negativ.

Wasser nimmt gegenüber einer Säure ein Proton auf. Gegenüber einer geeigneten Base kann es selbst eines abgeben. Mit Ammoniak reagiert es als Säure:

\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}

\ce{NH3} nimmt ein Proton auf, \ce{H2O} gibt eines ab. Mit \ce{HCl} war Wasser dagegen die Base. Ein solches Teilchen heißt Ampholyt. Auch \ce{HSO4-} kann Protonen aufnehmen und zu \ce{H2SO4} werden oder sie abgeben und zu \ce{SO4^2-} werden.

Bei der Autoprotolyse übertragen zwei Wassermoleküle untereinander ein Proton. Die große 2 vor \ce{H2O} zählt zwei ganze Moleküle, also zusammen vier H- und zwei O-Atome:

\ce{2 H2O <=> H3O+ + OH-}

Die Reaktion läuft in beide Richtungen: Ionen entstehen und bilden wieder Wasser. Im Gleichgewicht geschehen beide Vorgänge in derselben Zeit gleich oft. Es bleiben nur wenige Ionen in chemisch reinem Wasser; deshalb leitet es Strom nur schwach. Die Stoffmenge beschreibt die Anzahl der Teilchen in der Einheit Mol (mol); gleiche Molzahlen bedeuten gleich viele Teilchen. Die Konzentration c gibt diese Stoffmenge je Liter Lösung an. Das Produkt der beiden Ionenkonzentrationen heißt Ionenprodukt des Wassers:

K_\mathrm{W}=c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{OH-})

Bei 25 °C gilt:

K_\mathrm{W}\approx10^{-14}\,\mathrm{mol^2/L^2}

Die Einheit mol²/L² entsteht, weil zwei Konzentrationen in mol/L miteinander multipliziert werden.

Das Brønsted-Konzept verlangt einen Protonendonator und einen Protonenakzeptor, aber kein Wasser. Gasförmiges Hydrogenchlorid und Ammoniak reagieren unter Bildung von festem Ammoniumchlorid. Der weiße Rauch besteht aus feinen festen Teilchen. Hydrogenchlorid und Ammoniak sind als Gase giftig beim Einatmen und ätzend. Deshalb betrachten wir die Reaktion hier nur als Gleichung. Protolyse kann auch in anderen hinreichend polaren Lösungsmitteln stattfinden. Flüssiges Ammoniak kann durch Autoprotolyse Ammonium-Ionen \ce{NH4+} und Amid-Ionen \ce{NH2-} (Ammoniak ohne ein Proton) bilden.

Ausblick: Ein Gleichgewicht bedeutet: Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und in derselben Zeit gleich oft ab. Der pKₛ-Wert beschreibt die Stärke einer Säure: Ein kleinerer Wert gehört zur stärkeren Säure. Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der schwächeren Säure, also der Säure mit dem größeren pKₛ-Wert. Die Zahlenwerte und Rechenregeln gehören zum weiterführenden Thema Säure-Base-Gleichgewicht; du musst sie für die Protonenübertragung hier nicht berechnen.