Enzyklopädie – Theorie: Chemie

Säure-Base-Reaktion

Die Reaktionen von Säuren und Basen sind chemische Reaktionen, bei welchen die Wasserstoff-Kationen (H⁺) zwischen Molekülen oder Molekül-Ionen ausgetauscht werden. Diese Reaktion wird auch Protolyse genannt, bei dieser Art von Reaktion ein Teilchen ein Proton ablöst und dieses dann von einem anderen Teilchen aufgenommen wird.

Nach Brønsted bezeichnet man das Teilchen, welches das Proton abgibt als Protonendonator (Brønsted-Säure). Das Protonenempfangende Teilchen wird Protonenakzeptator (BrønstedBase) genannt.

Wenn man den Protonendonator als HA darstellt und den Protonenakzeptator als B, kann man die Säure-Base-Reaktion wie folgt formulieren.

Säuren und Basen

Im engeren Sinne sind Säuren die Verbindungen, welche dazu imstande sind, Protonen (H⁺) an einen Reaktionspartner zu übertragen. Sie dienen somit als sogenannte Protonendonatoren. Bei wässrigen Lösungen ist der Reaktionspartner im Wesentlichen das Wasser. Es werden Oxonium-Ionen gebildet und der pH-Wert der Lösung senkt sich. Säuren reagieren mit den sogenannten Basen unter der Bildung von Salzen und Wasser. Die Base ist das Gegenstück zu einer Säure und kann diese neutralisieren.

Basen sind anders als Säuren die Verbindungen, welche in wässrigen Lösungen in der Lage sind, Hydroxid-Ionen (OH^–) zu bilden. Somit können die den pH-Wert einer Lösung erhöhen. Die Hydroxid-Ionen sind chemische Verbindungen, sie können unter Bildung eines Wassermoleküls die Protonen einer Säure übernehmen.

Schreibweisen

Summen- oder Bruttoformel

Eine Brutto- oder Summenformel, auch Molekülformel genannt, dient in der Chemie dazu, die Anzahl der gleichartigen Atome in der Formeleinheit eines Salzes oder in einem Molekül anzugeben. Somit gibt eine Summenformel das Teilchenzahlenverhältnis und gleichzeitig aber auch das Stoffmengenverhältnis der Teilchen an, welche im Molekül bzw. in der entsprechenden Formeleinheit enthalten sind.

Kationen

Kation wird ein positiv geladenes Ion genannt. Bei der Elektrolyse wandern positiv geladene Ionen zu Kathode, wodurch sie den Namen Kationen erhielten.

Kationen entstehen aus Atomen und Molekülen, wenn ein Elektron abgegeben oder ein Wasserstoff-Ion H⁺ aufgenommen wird.

Salze bestehen immer aus Anionen und Kationen.

Um Kationen chemisch nachzuweisen, werden sehr moderne Laborgeräte aus der instrumentellen Analytik oder einfach auch nur der einfache Kationennachweis im Reagenzglas verwendet.

Anionen

Ein negativ geladenes Ion wird Anion genannt. Bei der Elektrolyse wandern die negativ geladenen Ionen zur Anode, wodurch es den Namen Anion erhielt.

Anionen entstehen aus Atomen und Molekülen, wenn ein Elektron aufgenommen wird.

Jedes einzelne Anion kann verschiedenen Bindungen bilden, indem es sich mit Kationen kombiniert. Dadurch leiten sich ganze Verbindungsklassen (z.B. Oxide oder Sulfide) von den stabilen Anionen ab. Oxide und Sulfite sind in der Mineralogie besonders bedeutend, da sie viele Gesteine und Erze bilden. Nach den vorhandenen Anionen kann man alle Salze in Stoffklassen einteilen. Sulfat als Begriff kennt zwei Aspekte. Der eine meint das Sulfation und der andere die Verbindungsklasse der Sulfate. Zur Identifikation der Anionen in Lösungen, stehen in der Chemie Anionennachweise und auch moderne Instrumente aus dem Labor zur Verfügung.

Dadurch, dass jedes Molekül und Atom unter den richtigen Bedingungen negativ geladen werden kann, kann es Abermillionen von Anionen geben.

Wertigkeit

Die Wertigkeit, auch Valenz genannt, von einem Atom eines chemischen Elements zeigt auf, wie viele andere Atome es sich an sich binden kann, falls es zu einer chemischen Bindung kommt. Beziehungsweise welche Menge an Einfachbindungen es mit anderen Atomen eingehen müsste, wenn es den Oktettzustand erreichen will.

Sie wird genutzt, um die chemischen Formeln einfacher chemischer Bindungen zu berechnen.

Bei chemischen Verbindungen, die komplexer sind, sollte man beachten, dass das bestimmte Atom nicht mit allen Atomen im Molekül der chemischen Verbindung eine Bindung eingehen muss, um der davon zu werden. Dadurch kann beispielweise ein dreiwertiges Atom auch mit neun anderwertigen Atomen ein Molekül bilden. Dabei kann es sich nur mit maximal drei von den neun Atomen über eine chemische Bindung verbinden. Grundsätzlich wird die Wertigkeit in römischen Zahlen notiert.

Stärke von Säuren und Basen

Aus dem Protolysegleichgewicht ergibt sich die Stärke von Säuren und Basen nach Brønsted. Umso grösser die Gleichgewichtskonstante ist, desto stärker ist die Säure, was zu einem höheren Wert führt, wodurch erkennbar ist, dass die entsprechende Base stark ist. Anhand der Werte unterscheidet man zwischen sehr starken, starken, schwachen und sehr schwachen Basen beziehungsweise Säuren. Eine sehr starke Säure ist jedoch nicht gleichzusetzten mit einer sehr aggressiv wirkenden Säure. Ein Beispiel dafür ist die schwache Flusssäure, welche aber trotz ihrer «Schwäche» die meisten Metalle, Kunststoffe, Gläser und Mineralien auflöst. Nach dem Massenwirkungsgesetz lässt sich die Protolyse einer bestimmten Säure in Wasser wie folgt beschreiben:

Genau wie beim Autoprotolysegleichgewicht vom Wasser wird hier die Konzentration als konstante Grösse miteinbezogen. Das Produkt davon wird als Säurekonstante bezeichnet. Genau auf die gleiche Weise ist die Basenkonstante einer Base definiert. Umso vollständiger die Protonenübertragung erfolgt, desto stärker liegt das Protolysegleichgewicht auf der rechten Seite und umso stärker ist die jeweilige Base beziehungsweise Säure. Daraus kann man ablesen, dass umso grösser der Wert ist desto stärker die Säure oder Base.

Stöchiometrie

Die Stöchiometrie ist eines der einfachsten und grundlegendsten mathematischen Hilfsmittel in der Chemie. Sie beruht auf dem Massenerhaltungssatz und beschäftigt sich mit der Frage, welche quantitativen Informationen man aus einer Reaktionsgleichung gewinnen kann.

Stoffe

Ein Stoff kann dadurch beschrieben werden, dass er eine Masse besitzt und man ihn beobachten sowie untersuchen kann. Einen bestimmten Raum, der keine Stoffe enthält, nennt man Vakuum. Zudem werden elektromagnetische Wellen, wie beispielsweise Licht, nicht zu den Stoffen gezählt.
In der Umgangssprache nennt man chemische Stoffe auch Substanzen. In der Chemie jedoch bezeichnet eine Substanz nur Stoffe in fester Form, sogenannte Feststoffe.
Grob kann man Stoffe in der Chemie in Reinstoffe und in Gemische unterteilen. Reinstoffe sind beispielsweise Kochsalz (Natriumchlorid), Eisen und Alkohol (Ethanol). Beispiele für Stoffgemische sind Luft, Bier oder Stahl.
Jede Portion oder Einheit eines Stoffes besitzt eine Masse, hat ein Volumen und besitzt eine innere Energie, beziehungsweise Wärmeenergie. Auch wenn der Stoff der Gleiche ist, kann seine Form unterschiedlich sein. Eisen kommt zum Beispiel in allen möglichen Formen vor.

Stoffeigenschaften

Oft ist von Eigenschaften von Stoffen zu lesen. Diese Stoffeigenschaften lassen sich in mehrere Gruppen unterteilen:

Physikalische Stoffeigenschaften:
– Dichte
– Elektrische Leitfähigkeit
– Farbe
– Härte
– Löslichkeit
– Magnetisierung
– Oberflächenspannung
– Optische Aktivität
– Schallgeschwindigkeit
– Schmelztemperatur
– Siedetemperatur
– Verformbarkeit
– Viskosität
– Wärmeleitfähigkeit
– Wasserlöslichkeit

Chemische Stoffeigenschaften:
– Angreifbarkeit durch Säuren oder Laugen
– Bindungsenergie
– Brennbarkeit
– Elektronennegativität
– Explosivität
– Korrosionsbeständigkeit
– Reaktivität
– Säure- und Basekonstante

Physiologische Eigenschaften:
Diese bezeichnen chemische und physikalische Stoffeigenschaften unter dem Aspekt der Wahrnehmbarkeit oder der Auswirkungen auf die Umgebung.
– Geruch
– Geschmack
– Toxizität
– Resorption

Stoffmenge – Mol

Durch die Stoffmenge wird die quantitative Mengenangabe für Stoffe, besonders in der Chemie, angegeben. Diese Stoffmenge ist dabei weder Masse noch Teilchenzahl, sondern festgelegt im Internationale Einheitensystem (SI) durch willkürliche Vereinbarung als Basisgrösse eigener Art. Daraus zu schliessen ist, das sie auch nicht durch andere SI-Basisgrössen darstellbar ist. Das Mol ist die Einheit der Stoffmenge und eine SI-Basiseinheit.

Wenn das Mol verwendet wird muss die zugrunde gelegte Anzahl der Teilchen exakt festgelegt werden; ein Mol eines Stoffes enthält etwa 6,02214179·10²³ (602 Trilliarden) solcher Teilchen (Avogadro-Zahl N_A, auch Loschmidt-Zahl).

Diese Teilchen können auch Äquivalentteilchen oder kurz Äquivalente sein, sozusagen Bruchstücke der realen Teilchen.

Für die Stoffmenge n_X und die Masse m_X einer Stoffportion eines Reinstoffes X und dessen molaren Masse M_X gilt folgender Zusammenhang: