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Basizität
das Maß für die Fähigkeit einer chemischen Verbindung, Protonen aufzunehmen, also ihr Basenverhalten, ausgedrückt durch die Basenkonstante bzw. den pK B-Wert.
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Grundbegriff
Basizität ist ein Fachbegriff aus zwei Bereichen: Chemie und Metallurgie. In der Chemie beschreibt Basizität, auch Alkalität, wie stark ein Stoff als Base wirkt. In der Metallurgie beschreibt Basizität eine Eigenschaft von Schlacke, nämlich das Massenverhältnis bestimmter basischer und saurer Oxide.
Der Begriff ist wichtig, weil er in beiden Bereichen hilft, Stoffeigenschaften vergleichbar zu machen: In der Chemie geht es um die Aufnahme von Protonen und den Zusammenhang mit Reaktionen organischer Verbindungen. In der Metallurgie geht es um die Zusammensetzung schmelzflüssiger Schlacken.
Basizität als chemische Eigenschaft
In der Chemie bezeichnet Basizität das Maß für die Fähigkeit einer chemischen Verbindung, Protonen aufzunehmen. Ein Proton ist hier ein Wasserstoff-Ion, also H+. Dieses Basenverhalten wird durch die Basenkonstante beziehungsweise den pK_B-Wert ausgedrückt.
Außerdem kann Basizität die Basenstärke einer Lösung meinen. Diese hängt mit der Konzentration der Hydroxidionen zusammen und wird über den pOH-Wert beschrieben. Hydroxidionen haben die Formel OH−.
Je stärker basisch eine Verbindung ist, desto eher teilt sie ihr freies Elektronenpaar mit anderen Teilchen, zum Beispiel mit einem Proton. Dadurch kann sie mit dem Proton eine Bindung eingehen und es aufnehmen. Eine schwächere Base löst die Bindung zu einem Proton leichter; sie ist deshalb zugleich eine stärkere Säure.
Basenkonstante und Gleichgewicht
Die Basizität lässt sich an der Basenkonstante K_b beziehungsweise an der Säurekonstante K_s ablesen. Die Basenkonstante ist eine Gleichgewichtskonstante. Sie gibt das Verhältnis zwischen protonierten und deprotonierten Teilchen an. Protoniert bedeutet, dass ein Teilchen ein Proton aufgenommen hat; deprotoniert bedeutet, dass ein Teilchen ein Proton abgegeben hat.
Ein Beispiel für ein Gleichgewicht zwischen einer Base und ihrer konjugierten Säure in Wasser ist:
A− + H2O ⇌ AH + OH−
Dazu gehört die Gleichgewichtskonstante K. Basizität ist damit eine thermodynamische Größe: Sie beschreibt die Lage eines Gleichgewichts.
Zusammenhang mit Nukleophilie
In der organischen Chemie spielt Basizität besonders im Zusammenhang mit Nukleophilie eine große Rolle, zum Beispiel bei der nukleophilen Substitution. Nukleophilie bezeichnet die Tendenz eines Teilchens, ein Elektrophil anzugreifen. Ein Elektrophil ist ein elektronenarmes Teilchen.
Basizität und Nukleophilie stehen häufig in einem direkten Verhältnis: Starke Basen sind gute Nukleophile, schwache Basen sind schlechte Nukleophile. Eine Ausnahme kann auftreten, wenn große, sterisch anspruchsvolle Gruppen das basische Zentrum behindern, zum Beispiel bei Lithiumdiisopropylamid. Sterische Effekte sind räumliche Hindernisse durch die Form und Größe von Gruppen in einem Molekül.
Ein Beispiel: Hydroxidionen (OH−) sind eine bessere Base und ein besseres Nukleophil als Wasser (H2O). Wasser ist dagegen die bessere Abgangsgruppe.
Der entscheidende Unterschied ist: Basizität ist eine thermodynamische Größe, Nukleophilie eine kinetische Größe. Kinetisch bedeutet, dass es um die Geschwindigkeit eines Vorgangs geht. Ein Beispiel für den Angriff eines Nukleophils auf ein Elektrophil ist:
Nu− + R-X → Nu-R + X−
Dazu gehört die Geschwindigkeitskonstante k. Auf Basizität und Nukleophilie können außerdem Polarisierbarkeit, Lösungsmittel und sterische Effekte Einfluss haben.
Basizität von Schlacken
In der Metallurgie ist die Basizität einer Schlacke als das Massenverhältnis der enthaltenen basischen und sauren Oxide definiert. Eine Schlacke ist dabei ein Stoffgemisch, dessen Zusammensetzung für metallurgische Prozesse wichtig ist.
Für phosphorarme Schlacken ist die Basizität als Massenverhältnis von Calciumoxid zu Siliciumdioxid definiert:
B = m(CaO) / m(SiO2)
Für Pfannenschlacken wird eine erweiterte Definition verwendet, die zusätzlich MgO und Al2O3 berücksichtigt:
B_LF = [m(CaO) + k · m(MgO)] / [m(SiO2) + l · m(Al2O3)]
Dabei sind k und l Korrekturfaktoren, zum Beispiel 1,4 und 0,6. Zu beachten ist, dass sich diese Basizitäten auf schmelzflüssige Schlacken beziehen. Unter realen Bedingungen können jedoch ungelöstes CaO und MgO in der Schlacke vorliegen.
