1.3 Chemische Reaktionen des Wassers - Bildung von Säuren und Basen

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1 1.3 Chemische Reaktionen des Wassers Bildung von Säuren und Basen Säure und Basebegriff nach Arrhenius (1887) Wasser reagiert mit Nichtmetalloxiden (Säureanhydriden) zu Säuren. Die gebildete Säure löst sich molekular in Wasser. Dabei erfolgt ein teilweiser/ vollständiger Zerfall in Protonen und Säurerestionen. Wasser reagiert mit Metalloxiden (Basenanhydriden) zu Basen (Metallhydroxiden). Metallhydroxide zerfallen in Metall und Hydroxidionen. SO 2 (aq) + H 2 O H 2 SO 3 (aq) H 2 SO 3 (aq) H + (aq) + HSO 3 (aq) HSO 3 (aq) H + (aq) + SO 3 (aq) CaO(s) + H 2 O Ca(OH) 2 (s) Ca(OH) 2 (s) + H 2 O Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq)

2 Charakter der Oxide der Elemente der 2. und 3. Periode Hauptgruppe I II III IV V VI VII VIII ns 1 ns 2 ns 2 np 1 ns 2 np 2 ns 2 np 3 ns 2 np 4 ns 2 np 5 ns 2 np 6 Valenzelektronen der Elemente Periode Li 2 O BeO B 2 O 3 CO 2 N 2 O 5 F 2 O 3. Periode Na 2 O CaO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 Cl 2 O 7 XeO 4 Metallcharakter / Basizität der Oxide Nichtmetallcharakter / Acidität der Oxide

3 Stoffklasse Säuren (Arrhenius) Säuren sind Wasserstoffverbindungen, die in der Regel in stabiler, wässriger Lösung vorliegen und dort hydratisierte H + Ionen bzw. H + (aq) bilden. Wichtige sauerstoffhaltige anorganische Säuren ein und mehrprotonig Oxid Reaktion mit Wasser Säure Name der Säure CO 2 (g) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (aq) Kohlensäure HCO 3 CO 3 N 2 O 3 (g) N 2 O 3 + H 2 O 2 HNO 2 (aq) salpetrige Säure NO 2 N 2 O 5 (s) N 2 O 5 + H 2 O 2 HNO 3 (aq) Salpetersäure NO 3 P 4 O 10 (s) P 4 O H 2 O 4 H 3 PO 4 (aq) Phosphorsäure H 2 PO 4 HPO 4 PO 4 3 Anionen / Salze Hydrogencarbonat Carbonat Nitrit Nitrat Dihydrogenphosphat Hydrogenphosphat Phosphat SO 2 (g) SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 (aq) schweflige Säure HSO 3 SO 3 Hydrogensulfit Sulfit SO 3 (g) SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 (aq) Schwefelsäure HSO 4 SO 4 Hydrogensulfat Sulfat

4 Sauerstofffreie anorganische Säuren Lösung von polaren Wasserstoffverbindungen in Wasser Verbindung Säure Anionen / Salze H 2 S(g) Schwefelwasserstoffwasser H 2 S(aq) HS S Hydrogensulfid Sulfid HF(g) Flusssäure HF(aq) F Fluorid HCl(g) Salzsäure HCl(aq) Cl Chlorid Organische Säuren Säure Anionen / Salze CH 3 COOH (l oder s) Essigsäure (Eisessig) CH 3 COOH(aq) Essig(säure) CH 3 COO Acetat

5 Protolyse von Essigsäure H 2 O H 2 O CH 3 COOH(l) CH 3 COOH(aq) H + (aq) + CH 3 COO (aq) Essigsäure wässrige Essigsäurelösung

6 Stoffklasse Basen hydroxidhaltige Basen (Arrhenius) Basen sind Hydroxidverbindungen, die in wässriger Lösung hydratisierte OH Ionen bzw. OH (aq) bilden. Wichtige Basen Oxid Reaktion mit Wasser Base Wässrige Lösung Na 2 O(s) Na 2 O + H 2 O 2 NaOH Natriumhydroxid Natronlauge K 2 O(s) K 2 O + H 2 O 2 KOH Kaliumhydroxid Kalilauge CaO(s) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Calciumhydroxid Kalkwasser BaO(s) BaO + H 2 O Ba(OH) 2 Bariumhydroxid Barytwasser Hydroxidbildende Basen!? NH 3 (g) + H 2 O NH 4 + (aq) + OH (aq)

7 Struktur und Zerfall von Säuren und Metallhydroxiden In beiden Verbindungsklassen liegen H O E Bindungen vor. Beispiel Schweflige Säure: kovalente H OBindung H kovalente O SBindung H O S O O H + Calciumhydroxid: kovalente H OBindung ionische HO Ca 2+ Bindung H O Ca 2+ O H OH

8 Stoffklasse Salze (Arrhenius) Salze sind Ionenverbindungen, die aus Metallion (Kation der Base) und Anion (Säurerest) zusammengesetzt sind. Sie entstehen durch Neutralisation von ArrheniusSäuren und Basen. H 2 O Na 2 SO 4 2 Na + + SO 4 H 2 O 2 NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO H 2 O

9 Bildungsreaktionen für Salze Reaktion von Base und Säure 2 Na + + OH + 2 H + + SO 4 2 Na + + SO H 2 O Reaktion von Metalloxid (Baseanhydrid) und Säure Fe 2 O 3 (s) + 6 H Cl 2 Fe Cl + 3 H 2 O Reaktion von Base und Nichtmetalloxid (Säureanhydrid) Ca OH + CO 2 (g) CaCO 3 (s) + H 2 O Reaktion von Metalloxid und Nichtmetalloxid CaO(s) + SiO 2 (s) CaSiO 3 (s)

10 Name und Formel von Salzen Ersatz des Wasserstoffs in Säuren durch Metallionen Name Kation Anion Salz (Ionenverbindung) Kaliumsulfat K + Magnesiumchlorid Mg 2+ Calciumhydrogencarbonat Ca 2+ SO 4 Cl HCO 3 Calciumphosphat Ca 2+ PO 4 3 Kupfer(II)carbonat Cu 2+ CO 3 Aluminiumnitrat Al 3+ NO 3

11 Bindemittel als salzartige Ionenverbindungen Erhärtung von Kalkputz / Carbonatisierung Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Puzzolanische Reaktion / Erhärtung von Kalksandstein Ca(OH) 2 + SiO 2 CaSiO 3 + H 2 O Gips als salzartiges Bindemittel / Salzhydrat / Erhärtung als Folge Hydratbildung (Löslichkeit) CaSO 4 ½ H 2 O + 3/2 H 2 O CaSO 4 2 H 2 O

12 Aussage von chemischen Formeln s. 0.3 Formeln von molekularen Verbindungen kovalente Bindungen zwischen Nichtmetallen Formel resultiert aus kovalenter Wertigkeit (Beachtung Oktettregel) Berechnung einer Molekülmasse Formeln von ionischen Verbindungen Metallkation, ein oder mehratomiges Anion Formel entsteht durch Ausgleich der Ladungen Bildung eines Ionenkristalls Berechnung einer Formelmasse

13 Kovalente Verbindungen ( EN < 1,7) Name Formel Schwefelwasserstoff Distickstoffpentoxid Phosphortrichlorid Ionische Verbindungen ( EN > 1,7) Name Formel Calciumfluorid Mangan(IV)oxid Aluminiumsulfat