Ampholyt

Begriff und grundlegende Eigenschaften

Ampholyte, auch Säure-Base-Ampholyte, Säure-Base-Amphotere oder amphiprotische Verbindungen, sind chemische Verbindungen, die sowohl als Brønsted-Säure als auch als Brønsted-Base reagieren können. Sie können also Protonen (H⁺) abgeben und aufnehmen. Dieses doppelte Verhalten heißt Säure-Base-Amphoterie.

Die Wasserlöslichkeit von Ampholyten hängt stark vom pH-Wert ab. Einige Ampholyte können außerdem mit sich selbst reagieren. Wasser ist das bekannteste Beispiel: Gegenüber einer Säure wirkt es als Base und bildet H₃O⁺, gegenüber einer Base wirkt es als Säure und bildet OH⁻. Auch reines Wasser zeigt diese Autoprotolyse:

2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻.

Arten und Reaktionsbeispiele

Ampholyte können auf verschiedene Weise entstehen oder aufgebaut sein.

• Zur Autoprotolyse neigende Stoffe sind unter anderem Wasser (pKₐᵤ = 14), Ammoniak NH₃ (pKₐᵤ = 29 bei −50 °C), Schwefelsäure H₂SO₄ (pKₐᵤ = 3,85), Essigsäure CH₃COOH (pKₐᵤ = 12,6 bei 24 °C), Ameisensäure HCOOH (pKₐᵤ = 6,2), Methanol CH₃OH (pKₐᵤ = 16,9), Ethanol CH₃CH₂OH (pKₐᵤ = 19,5) und Fluorwasserstoff HF (pKₐᵤ = 10,7 bei 0 °C). Die Werte sind der negative dekadische Logarithmus des Ionenprodukts der Stoffe. Mit steigender Temperatur nimmt das Ausmaß der Autoprotolyse gewöhnlich zu.

• Teilweise deprotonierte mehrprotonige Säuren besitzen noch ein abgebbares Proton, können aber auch ein Proton aufnehmen. Beispiele sind Monohydrogenphosphat HPO₄²⁻, Dihydrogenphosphat H₂PO₄⁻, Hydrogensulfat HSO₄⁻ und Hydrogencarbonat HCO₃⁻. Dihydrogenphosphat reagiert mit Salzsäure als Base: HCl + H₂PO₄⁻ → H₃PO₄ + Cl⁻. Mit Ammoniak reagiert es als Säure: NH₃ + H₂PO₄⁻ → NH₄⁺ + HPO₄²⁻.

• Teilweise protonierte mehrwertige Basen sind ebenfalls Ampholyte. Dazu gehören basisches Magnesiumchlorid Mg(OH)Cl beziehungsweise Mg(OH)⁺ Cl⁻ und Hydrazin-Monohydrochlorid H₂N–NH₂ · HCl beziehungsweise H₂N–NH₃⁺ Cl⁻. Mg(OH)Cl reagiert mit HCl als Base zu H₂O und MgCl₂; mit NaOH reagiert es als Säure zu NaCl und Mg(OH)₂.

• Verbindungen mit mindestens einer sauren und einer basischen funktionellen Gruppe sind amphoter. Dazu zählen Aminosäuren mit Carboxygruppen und Aminogruppen, damit auch Peptide und die meisten Proteine, sowie Zwitterionen. Glycin reagiert mit HCl als Base zu H₃N⁺–CH₂–COOH + Cl⁻ und mit NaOH als Säure zu H₂O + H₂N–CH₂–COO⁻ + Na⁺.

Eigen-pH-Wert und Löslichkeit

Löst man Ampholyte mit zwei funktionellen Gruppen in Wasser, stellt sich ein mittlerer pH-Wert ein. Bei nicht allzu starken Verdünnungen lässt er sich konzentrationsunabhängig mit der Ampholytgleichung näherungsweise berechnen:

pH = 1/2 (pKₛ₁ + pKₛ₂) = 1/2 (pKₛ₁ + 14 − pKᴮ₂).

pKₛ₁ und pKₛ₂ sind die Säurekonstanten beziehungsweise pKₛ-Werte der beiden Dissoziationsmöglichkeiten des Ampholyten. Elektrisch neutrale Ampholyte, etwa Aminosäuren, besitzen bei diesem pH-Wert ihre niedrigste Löslichkeit. Bei niedrigerem oder höherem pH-Wert steigt die Löslichkeit wieder, weil die Ladung die Solvathülle stabilisiert.