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Chlorwasserstoff-Gas (HCl) reagiert mit Wasser zu Oxonium- und Chlorid-Ionen – das ist eine Protolyse-Reaktion nach Brønsted. Du lernst den Springbrunnenversuch zu erklären, Reaktionsgleichungen in Summenformel- und Lewis-Schreibweise aufzustellen und das Protolysen-Schema (Bergab-Reaktion) zu lesen und anzuwenden.
3 Protolyse-Reaktionen
3.1 Chlorwasserstoff-Gas und Wasser (Springbrunnen)
Chlorwasserstoff: Summenformel HCl · polare Atombindung · Gas · stechender Geruch
Wasser: Summenformel H2O · polare Atombindung · Flüssigkeit · geruchslos
Lewis-Formeln
| H — Cl: | Chlorwasserstoff |
| H — O: | Wasser |
| | | |
| H |
a) Versuch:
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✕
⚠️ Hinweis: Im Bild steht „Chorwasserstoff" – korrekte Schreibweise: Chlorwasserstoff.
b) Beobachtung:
Das Wasser „schießt" bergauf in den Rundkolben. Die Indikatorfarbe schlägt nach rot/gelb um. Die rote wässrige Lösung ist geruchlos.
c) Reaktionsgleichung – Struktur/Lewisformel:
Es gibt zwei mögliche Reaktionsgleichungen (wenn man zunächst die Säurestärke vernachlässigt). Welche zwei Reaktionsgleichungen sind das?
{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}1. Möglichkeit – HCl als Säure, H2O als Base (korrekte Reaktion):
H2O(l) + HCl(g) ⟶ H3O+(aq) + Cl−(aq)
Wasser Chlorwasserstoff Oxonium-Ion Chlorid-Ion
⇒ bildet zusammen: „Salzsäure"
2. Möglichkeit – H2O als Säure, HCl als Base:
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✕
Chlorwasserstoff ist die stärkere Säure, Hydroxid-Ion (OH−) wäre eine sehr starke Base. Durch Elektrolyse wird die 1. Möglichkeit bestätigt: HCl wirkt als Säure.
{/sliders}Nachweis der gebildeten Ionen:
- Leitfähigkeitsmessung: Die Lösung leitet elektrischen Strom → Ionen sind vorhanden.
- Elektrolyse: An der Anode (Pluspol) entsteht Cl2-Gas → Chlorid-Ionen (Cl−) müssen vorliegen.
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✕
- Indikator: Bromthymolblau färbt gelb → Oxonium-Ionen (H3O+) sind vorhanden.
Komplette Lösung:
{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}Reaktionsgleichung (Lewis-Formel):
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✕
Reaktionsgleichung (Summenformel):
H2O(l) + HCl(g) ⇌ H3O+(aq) + Cl−(aq)
Wasser Chlorwasserstoff Oxonium-Ion Chlorid-Ion
„Salzsäure"
Verdünnte Salzsäure enthält hydratisierte Oxonium- und Chlorid-Ionen sowie Wassermolekule.
d) Protolysen-Schema:
↗ Originalbild des Protolysen-Schemas ansehen
✕
{/sliders}
e) Erklärung:
Chlorwasserstoff-Gas reagiert mit Wasser zu Oxonium-Ionen (H3O+) und Chlorid-Ionen (Cl−). Im Kolben entsteht durch das vollständige Auflösen ein Unterdruck. Die H3O+-Ionen färben den Universalindikator bzw. Bromthymolblau rot/gelb.
Salzsäure = wässrige Lösung des Gases Chlorwasserstoff
Leitet man sehr viel HCl-Gas in Wasser ein, reagieren nicht mehr alle HCl-Moleküle mit H2O. Diese HCl-Moleküle liegen „gelöst" vor – es entsteht rauchende bzw. konzentrierte Salzsäure.
| Leitfähigkeit | Geruch | Indikatorpapier | Teilchen | |
|---|---|---|---|---|
| Verdünnte Salzsäure | + | − | rot | H2O, H3O+, Cl− |
| Rauchende Salzsäure | + | + | rot | H2O, H3O+, Cl−, HCl |
Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen
Protolyse (Brønsted)
Eine Protolyse ist die Übertragung eines Protons (H+) vom Protonendonator (Säure) auf den Protonenakzeptor (Base).
Springbrunnen
HCl löst sich vollständig in H2O auf → Ionen bilden sich → Unterdruck entsteht → Atmosphärendruck drückt Wasser hoch.
Bergab-Reaktion
Das Proton wandert von der stärkeren Säure (HCl) zur stärkeren Base (H2O) – immer zur schwächeren Säure/Base hin.
Salzsäure
Salzsäure = wässrige Lösung von HCl. Enthält H3O+, Cl− und H2O; konzentriert zusätzlich gelöstes HCl.
Häufige Fragen – Protolyse-Reaktionen
Warum schießt das Wasser beim Springbrunnenversuch in den Kolben?
HCl-Gas reagiert sofort mit dem eingetretenen Wasser zu H3O+- und Cl−-Ionen. Dadurch sinkt der Gasdruck im Kolben stark. Der Atmosphärendruck drückt das Wasser durch das Glasrohr nach oben – der „Springbrunnen-Effekt". Die Indikatorfarbe zeigt: die Lösung ist sauer (H3O+-Ionen).
Was ist der Unterschied zwischen Chlorwasserstoff und Salzsäure?
Chlorwasserstoff (HCl) ist ein farbloses Gas mit stechendem Geruch. Salzsäure ist die wässrige Lösung dieses Gases: HCl löst sich in H2O und bildet dabei Oxonium-Ionen (H3O+) und Chlorid-Ionen (Cl−). Verdünnte Salzsäure ist geruchlos, da kein HCl mehr als Gas vorliegt.
Was versteht man unter einer Protolyse nach Brønsted?
Nach Brønsted ist eine Säure ein Protonendonator (gibt H+ ab) und eine Base ein Protonenakzeptor (nimmt H+ auf). Eine Protolyse ist die Übertragung eines Protons. Das Protolysen-Schema zeigt: Die Reaktion läuft stets von der stärkeren Säure/Base zu den schwächeren Produkten – die sogenannte Bergab-Reaktion. Mehr dazu: Brønsted-Definition (Kl. 9).
Wie weist man Chlorid-Ionen in Salzsäure nach?
Durch Elektrolyse: An der Anode (Pluspol) entwickelt sich Chlorgas (Cl2), das durch Oxidation von Cl− entsteht – direkter Nachweis. Außerdem fällt bei Zugabe von Silbernitrat-Lösung (AgNO3) ein weißer Niederschlag aus Silberchlorid (AgCl) aus.
Was enthält rauchende Salzsäure im Vergleich zu verdünnter Salzsäure?
Verdünnte Salzsäure enthält nur H2O, H3O+ und Cl− – alles HCl hat mit Wasser reagiert. In konzentrierter (rauchender) Salzsäure ist so viel HCl gelöst, dass nicht mehr alle Moleküle mit H2O reagieren können. Sie liegen als undissoziiertes HCl vor → stechender Geruch, „Rauchen" an feuchter Luft. Mehr zur Konzentration: Konzentration von Lösungen (Kl. 9).
Lernkarten – Protolyse von Chlorwasserstoff
Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.
Was ist eine Protolyse-Reaktion nach Brønsted?
Übertragung eines Protons (H+) vom Protonendonator (Säure) auf den Protonenakzeptor (Base).
Erkläre den Springbrunnenversuch mit HCl!
HCl löst sich schnell in H2O → Ionenbildung → Gasdruck sinkt → Atmosphärendruck drückt Wasser nach oben in den Kolben.
Warum wirkt HCl als Säure und H2O als Base?
HCl ist die stärkere Säure. Im Protolysen-Schema reagiert immer die stärkere Säure mit der stärkeren Base (Bergab-Reaktion).
Welche Teilchen enthält verdünnte vs. rauchende Salzsäure?
Verdünnt: H2O, H3O+, Cl−
Rauchend: zusätzlich gelöstes HCl → stechender Geruch
Berechne: Welche Masse HCl (M = 36,5 g/mol) steckt in 250 mL 0,2-mol/L-Salzsäure?
n = c · V = 0,2 mol/L · 0,25 L = 0,05 mol
m = n · M = 0,05 mol · 36,5 g/mol = 1,825 g
Weiter im Kapitel Säure-Base-Reaktionen
→ 3.2 Chlorwasserstoff und Ammoniak → Brønsted-Definition → Stärke von Säuren und Basen
🔗 Verwandte Themen: pH-Wert und Oxonium-Ionen · Konzentration von Lösungen · Neutralisation
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Du lernst den pH-Wert als negativen dekadischen Logarithmus der Oxonium-Ionenkonzentration kennen und verstehst seine Beziehung zum pOH-Wert. Du kannst aus einem gegebenen pH-Wert die c(H3O+) berechnen – und umgekehrt – und erkennst anhand der pH-Skala, ob eine Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist.
Um das Ionenprodukt KW übersichtlicher beschreiben zu können, führt man den pH-Wert (potentia hydrogenii), den pOH-Wert und den pKW-Wert ein.
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Oxonium-Ionenkonzentration.
pH = −lg c(H3O+)
c(H3O+) = 10−pH mol/L
pOH = −lg c(OH−)
pH + pOH = pKW
pH + pOH = 14 (bei 25 °C)
Folgende Werte gelten bei 25 °C:
| Größe | pH = 0 sauer |
pH = 6 | pH = 7 neutral |
pH = 8 | pH = 14 alkalisch |
Einheit |
|---|---|---|---|---|---|---|
| c(H3O+) | 100 | 10−6 | 10−7 | 10−8 | 10−14 | mol/L |
| c(OH−) | 10−14 | 10−8 | 10−7 | 10−6 | 100 | mol/L |
| pH | 0 | 6 | 7 | 8 | 14 | |
| pOH | 14 | 8 | 7 | 6 | 0 |
Zur Kennzeichnung, ob es sich um eine saure, neutrale oder alkalische Lösung handelt, reicht es vollständig aus, nur die Konzentration einer Ionensorte anzugeben (i. d. R. die Oxonium-Ionen-Konzentration).
Beispiele:
- pH = 2: c(H3O+) = 10−2 mol/L = 0,01 mol/L
- pH = 12: c(H3O+) = 10−12 mol/L = 0,000 000 000 001 mol/L
In einer alkalischen Lösung: c(OH−) > 10−7 mol/L ⇒ pH > 7
In einer neutralen Lösung: c(H3O+) = c(OH−) = 10−7 mol/L ⇒ pH = 7
Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen
pH-Definition
pH = −lg c(H3O+)
c(H3O+) = 10−pH mol/L
pKW-Beziehung
pH + pOH = 14 (bei 25 °C)
pOH = −lg c(OH−)
Neutral
pH = 7 bei 25 °C
c(H3O+) = c(OH−) = 10−7 mol/L
Merkhilfe
Kleiner pH → viele H3O+ → sauer
Großer pH → viele OH− → alkalisch
Häufige Fragen zum pH-Wert
Warum ist der pH-Wert ein negativer Logarithmus?
Die Konzentrationen von H3O+-Ionen in wässrigen Lösungen liegen typischerweise zwischen 100 und 10−14 mol/L – also sehr kleine Zahlen. Der negative Logarithmus macht diese Werte zu handlichen positiven Zahlen zwischen 0 und 14. Beispiel: c(H3O+) = 10−3 mol/L → pH = −lg(10−3) = 3.
Wie berechne ich c(H3O+) aus einem pH-Wert?
Umkehrung der pH-Definition: c(H3O+) = 10−pH mol/L. Beispiele: pH = 2 → c = 10−2 = 0,01 mol/L · pH = 9 → c = 10−9 = 0,000 000 001 mol/L. Bei nichtganzzahligen pH-Werten (z. B. pH = 4,75) wird der Taschenrechner benötigt: c = 10−4,75 ≈ 1,78 · 10−5 mol/L. → Mehr dazu: Kapitel 4 (pK-Werte)
Was bedeutet pH + pOH = 14?
Da KW = c(H3O+) · c(OH−) = 10−14 (bei 25 °C), gilt nach Logarithmieren: −lg(c(H3O+)) + (−lg(c(OH−))) = 14, also pH + pOH = 14. Kennt man einen der beiden Werte, lässt sich der andere sofort berechnen. → Zurück: Ionenprodukt KW
Ist pH = 7 immer gleich neutral?
Nur bei 25 °C! Da KW temperaturabhängig ist, verschiebt sich der neutrale pH-Wert mit der Temperatur. Bei 37 °C (Körpertemperatur) liegt der neutrale pH-Wert bei ca. 6,8 – obwohl c(H3O+) = c(OH−) gilt und die Lösung chemisch neutral ist. „Neutral" bedeutet immer: gleiche Konzentrationen beider Ionen, nicht zwingend pH = 7.
Welcher pH-Bereich kommt im Alltag vor?
Typische Beispiele: Magensäure pH ≈ 1–2 · Zitronensaft pH ≈ 2–3 · Kaffee pH ≈ 5 · Blut pH ≈ 7,35–7,45 (streng gepuffert) · Meerwasser pH ≈ 8,1 · Seifenwasser pH ≈ 9–10 · Natronlauge pH ≈ 13. Der biologisch verträgliche Bereich für Blut ist extrem eng – Abweichungen von ±0,4 sind lebensbedrohlich. → Kapitel 5: Indikatoren
Lernkarten – pH-Wert und pH-Skala
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Wie lautet die Definition des pH-Werts?
pH = −lg c(H3O+)
→ negativer dekadischer Logarithmus der Oxonium-Ionenkonzentration
Welche c(H3O+) hat eine Lösung mit pH = 3?
c(H3O+) = 10−pH
= 10−3 mol/L = 0,001 mol/L
Wie lautet die Beziehung zwischen pH und pOH (bei 25 °C)?
pH + pOH = pKW = 14
Beispiel: pH = 4 → pOH = 10
→ c(OH−) = 10−10 mol/L
Wann ist eine Lösung sauer, neutral oder alkalisch?
Sauer: pH < 7 · c(H3O+) > 10−7
Neutral: pH = 7
Alkalisch: pH > 7 · c(OH−) > 10−7
c(H3O+) = 0,001 mol/L. Berechne pH und c(OH−).
pH = −lg(10−3) = 3
pOH = 14 − 3 = 11
c(OH−) = 10−11 mol/L
Weiter im Kapitel Säure-Base
↑ Übersicht Säure-Base ← Kap. 1: Autoprotolyse → Kap. 3: Protolyse-Reaktionen → Kap. 4: pK-Werte
Was du auf dieser Seite lernst
Du verstehst, warum reines Wasser elektrisch leitfähig ist, und lernst die Autoprotolyse (Eigenprotolyse) des Wassers kennen. Du leitest das Ionenprodukt KW über das Massenwirkungsgesetz her und berechnest die H3O+- und OH−-Konzentration in reinem Wasser bei 25 °C.
1.1 Das Ionenprodukt des Wassers
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Destilliertes Wasser besitzt eine geringe elektrische Leitfähigkeit – ein Hinweis auf das Vorhandensein von Ionen. Diese Ionen entstehen durch eine Protolyse-Reaktion zweier Wassermoleküle miteinander (Autoprotolyse).
Hinweis zum MWG: Bei der Aufstellung des Massenwirkungsgesetzes steht das Oxonium-Ion in der Regel im Zähler:
Überlegungen – wie groß ist c(H2O)?
- 1 mol Wasser hat die Masse 18,0 g → M(H2O) = 18 g/mol
- 1 L Wasser besitzt bei 25 °C die Masse 997 g
Wie groß ist die Konzentration c(H2O) in Wasser?
| Dichte: | σ = m V ⇒ m = σ · V |
| Stoffmenge: | M = m n ⇒ n = m M = ρ · V M |
| Konzentration: | c = n V = ρ · V M · V = ρ M |
= 55,4 · 6,022 · 1023 Wassermoleküle pro Liter!
Die H2O-Konzentration in Wasser beträgt also konstant 55,4 mol/L.
Durch Leitfähigkeitsmessung lässt sich bei 25 °C bestimmen:
Diese Werte in das MWG einsetzen:
KC ist extrem klein → das Gleichgewicht liegt weitgehend auf der linken Seite → Die Konzentration von H2O ist daher auch bei Gleichgewichtsverschiebungen praktisch konstant. Sie kann mit KC zu einer neuen Konstanten KW (Ionenprodukt des Wassers) vereinigt werden:
KC · c²(H2O) = KW = c(H3O+) · c(OH−) = 1,00 · 10−14 mol²/L²
√KW = c(H3O+) = c(OH−) = (1,00 · 10−14 mol²/L²)½ = 1,00 · 10−7 mol/L
⚠️ Achtung: In reinem Wasser und in neutralen wässrigen Lösungen beträgt die Konzentration der Oxonium-Ionen und der Hydroxid-Ionen jeweils 10−7 mol/L.
Es haben also nur 2 Wassermoleküle von einer Milliarde zu einem Oxonium-Ion und einem Hydroxid-Ion reagiert.
Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen
Autoprotolyse
H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH−
Gleichgewicht liegt links · endotherm (ΔH = +56 kJ/mol)
Ionenprodukt KW
KW = c(H3O+) · c(OH−) = 10−14 mol²/L² bei 25 °C
Neutrales Wasser
c(H3O+) = c(OH−) = 10−7 mol/L
→ pH = 7
Gleichgewichtslage
KC = 3,26 · 10−18 → extrem klein
Nur 2 von 109 H2O-Molekülen reagieren
Häufige Fragen zur Autoprotolyse
Warum leitet destilliertes Wasser Strom, obwohl keine Salze gelöst sind?
Durch die Autoprotolyse bilden sich in jeder wässrigen Lösung stets geringe Mengen an Oxonium-Ionen (H3O+) und Hydroxid-Ionen (OH−). Diese geladenen Teilchen ermöglichen einen sehr schwachen Stromfluss. Da das Gleichgewicht aber weit auf der linken Seite liegt, ist die Leitfähigkeit von reinem Wasser sehr gering – messbar, aber kaum spürbar.
Was ist der Unterschied zwischen KC und KW?
KC ist die allgemeine Gleichgewichtskonstante aus dem MWG: KC = c(H3O+) · c(OH−) / c²(H2O). Da die Wasserkonzentration mit 55,4 mol/L praktisch konstant ist, wird sie in KC eingearbeitet: KW = KC · c²(H2O). KW enthält dann nur noch die Ionenkonzentrationen und ist einfacher zu handhaben.
Ändert sich KW mit der Temperatur?
Ja – KW ist temperaturabhängig. Bei 25 °C gilt KW = 10−14 mol²/L². Da die Autoprotolyse endotherm ist, verschiebt sich das Gleichgewicht bei höherer Temperatur nach rechts → KW wird größer. Bei 37 °C (Körpertemperatur) gilt KW ≈ 2,4 · 10−14 mol²/L², der neutrale pH-Wert liegt dann bei ca. 6,8 – obwohl die Lösung chemisch neutral ist!
Was passiert mit c(OH−), wenn ich eine Säure zugebe?
Gibt man eine Säure hinzu, steigt c(H3O+). Da KW = c(H3O+) · c(OH−) bei konstanter Temperatur konstant bleibt, sinkt c(OH−) entsprechend. Beispiel: c(H3O+) = 10−3 mol/L → c(OH−) = 10−14 / 10−3 = 10−11 mol/L. → Kapitel 2: pH-Wert
Warum kann c(H2O) als Konstante behandelt werden?
KC = 3,26 · 10−18 ist extrem klein – das Gleichgewicht liegt fast vollständig auf der linken Seite. Von einer Milliarde Wassermolekülen reagieren nur etwa 2. Die Änderung von c(H2O) ist daher vernachlässigbar klein, c(H2O) ≈ 55,4 mol/L bleibt praktisch konstant und kann in KW eingearbeitet werden.
Lernkarten – Autoprotolyse und Ionenprodukt
Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.
Was versteht man unter der Autoprotolyse des Wassers?
Zwei H2O-Moleküle reagieren miteinander – eines gibt ein Proton ab, das andere nimmt es auf:
H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH−
Wie lautet das Ionenprodukt des Wassers KW bei 25 °C?
KW = c(H3O+) · c(OH−)
= 1,00 · 10−14 mol²/L²
(gilt für alle wässrigen Lösungen bei 25 °C)
Welche Ionenkonzentration herrscht in neutralem Wasser bei 25 °C?
c(H3O+) = c(OH−)
= 1,00 · 10−7 mol/L
→ pH = 7 (neutral)
Warum wird c(H2O) in KW „eingebaut"?
c(H2O) ≈ 55,4 mol/L = konstant (GG liegt weit links, KC = 3,26 · 10−18)
→ KW = KC · c²(H2O)
Berechne c(OH−), wenn c(H3O+) = 1,00 · 10−4 mol/L (25 °C).
c(OH−) =
KW / c(H3O+)
= 10−14 / 10−4
= 10−10 mol/L
Weiter im Kapitel Säure-Base
↑ Übersicht Säure-Base-Reaktionen → Kapitel 2: pH-Wert → Kapitel 3: Protolyse-Reaktionen → Kapitel 4: pK-Werte