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Laugen / Basen

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Struktur und Funktion

Wichtige Metallhydroxide

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Hydroxid-Ionen

Misst man mit sehr empfindlichen Messgeräten die elektrische Leitfähigkeit von reinstem Wasser (aqua dest.), so stellt man eine sehr geringe Leitfähigkeit fest. Also müssen auch in reinstem Wasser Ionen vorliegen.

Einige Wassermoleküle spalten ein Wasserstoff-Ion ab. Diesen Vorgang nennt man Autoprotolyse.

autoprotolyse-1

Darstellung in Strukturformelschreibweise

Auf diese Weise entstehen sogenannte Hydroxid-Ionen, die einfach negativ geladen sind. Beim Wasser kommt allerdings die Wirkung der Hydroxid-Ionen nicht zur Geltung, da sie von den positiv geladenen Wasserstoff-Ionen, die hier immer in gleicher Anzahl vorliegen, gewissermaßen neutralisiert werden. Mehr dazu bei der Salzbildungsart "Neutralisationsreaktion".

Befinden sich Hydroxid-Ionen (im Überschuss) im Wasser, so spricht man von einer Lauge oder von einer alkalischen Lösung.

Die Hydroxid-Ionen sind die eigentlichen "Laugen-Teilchen", die für alle Eigenschaften der Laugen verantwortlich sind. Sie liegen im Wasser hydratisiert vor: OH-(aq).

Bei den Säuren sind es die Wasserstoff-Ionen (nach Arrhenius) bzw. die Oxonium-Ionen (nach Brönsted), die für alle Säureeigenschaften verantwortlich sind.

Der Begriff alkalische Lösung rührt daher, dass Metallhydroxide Laugen bilden und die in den Metallhydroxiden enthaltenen Metall-Ionen meistens Alkalimetall-Ionen sind (die Elemente der I. Hauptgruppe heißen Alkalimetalle).


Der Vollständigkeit halber soll hier auch noch ausgeführt werden, dass das entstehende Wasserstoff-Ion mit einem weiteren Wassermolekül zu einem Oxonium-Ion (H3O+) reagiert:

autoprotolyse-2

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Eigenschaften von Laugen

  • Laugen fühlen sich auf der Haut seifig an. Das liegt daran, dass sie aufgrund ihrer ätzenden Wirkung die obersten Hautschichten zersetzt. In hoher Konzentration sind Laugen starkt ätzend.
  • Der Universalindikator wird von Laugen blau gefärbt, Phenolphthalein rot. Der pH-Wert bei Laugen ist großer als 7 bis 14.
  • Laugen leiten den elektrischen Strom, da in Laugen Ionen (Hydroxid-Ionen) vorhanden sind.
  • Laugen können die Wirkung von sauren Lösungen schwächen oder aufheben.
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Einige Metallhydroxide bilden in Wasser Laugen

Wir erinnern uns:

Nichtmetalloxide reagieren mit Wasser zu Säuren.

Wir werden jetzt sehen, dass Metalloxide in Wasser Laugen bilden.

Zunächst stellen wir ein Metalloxid her.

Wir werden Magnesium verbrennen und das entstehende Magnesiumoxid in destilliertes Wasser geben. Dazu entzünden wir ein Magnesiumband (Tiegelzange benutzen) über einem mit destilliertem Wasser halb gefüllten Becherglas.

2 Mg + O2 2 Mg2+O2- / exotherm

Magnesiumoxid ist eine salzähnliche Verbindung die aus Ionen besteht!

Jetzt lassen wir das Metalloxid mit Wasser reagieren.

Das entstehende Metalloxid [weißes Magnesiumoxid (Magnesia)] fällt ins Wasser. Es reagiert mit Wasser zunächst zu Magnesiumhydroxid, das in Wasser dissoziiert.

Mg2+O2- + H2O Mg2+(OH-)2 Mg2+(aq) + 2 OH-(aq)

Die entstandene Magnesiumlauge ist eine sehr schwache Lauge. Der Universalindikator ist für die wenigen Hydroxid-Ionen, die hier entstanden sind, viel zu unempfindlich. Ein wesentlich empfindlicherer Indikator ist Phenolphthalein.

Phenolphthalein ist ein Indikator, der bei Säuren farblos bleibt, sich bei Laugen jedoch rot färbt.

pH-Wert phenolphthalein silhouet1

Die wässrige Lösung von Magnesium-Ionen und Hydroxid-Ionen heißt Magnesiumlauge.

Wir merken uns:

Einige Metalloxide reagieren mit Wasser zu Metallhydroxiden, die in Wasser Laugen bilden!

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Arrhenius - diesmal anders

Nach Arrhenius sind Säuren Stoffe, die mit Hilfe von Wasser zu Wasserstoff-Ionen und einem Säurerest dissoziieren.

Genaugenommen erscheint hier die Säure-Base-Theorie von Arrhenius ein wenig holprig: Während die Bildung von Säuren ein chemischer Prozess ist (heterolytische Spaltung von polaren Atombindungen), bei dem tatsächlich neue Stoffe entstehen, ist die Bildung von Laugen ein physikalischer Lösevorgang, da ja die Hydroxid-Ionen schon vorher in einem Ionengitter vorhanden sind.

Beispiel:

Laugen-Arrhenius

Bei den Verhältnisformeln von Metallhydroxiden in Ionenformelschreibweise muss man sich vergegenwärtigen, dass die Hydroxid-Ionen eine Einheit bilden. Eindeutiger wäre demnach folgende Schreibweise: Na+(OH)-. Bei Metallhydroxiden, die zweifach positiv geladene Metall-Ionen enthalten, wird die Formelschreibweise allerdings eindeutiger, z.B. bei Mg2+(OH-)2.

Es sei an dieser Stelle schon mal erwähnt, dass die Dissoziation - als Lösevorgang betrachtet - nicht die einzige "Schwachstelle" in der Basetheorie von Arrhenius ist. Zum Beispiel bildet Ammoniak (NH3) in Wasser eine alkalische Lösung, die den Universalindikator blau färbt. Ammoniak besitzt jedoch, wie man an der Summenformel erkennen kann, keine Hydroxid-Ionen. Eine andere "Schwachstelle" ist darin zu sehen, dass die Arrhenius-Theorie nur für wässrige Lösungen gilt. Es gibt jedoch auch Säure-Base-Reaktionen, die ohne Wasser ablaufen. Die Brönsted-Theorie liefert hier wesentlich bessere Erklärungsmuster.

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Basen nach Brønsted

Brønsted bezeichnete Basen als Stoffe, die Protonen aufnehmen können. Wir haben das schon einmal kurz beim Thema Säuren angesprochen, da nach Brönsted Säuren und Basen nicht getrennt voneinander betrachtet werden können.

Ein wesentlicher Unterschied zum Base-Begriff nach Arrhenius ist die Unabhängigkeit vom Wasser. Das folgende Beispiel soll das verdeutlichen:

broensted-festHier reagieren die Hydroxid-Ionen mit Chlorwasserstoff, ohne, dass für diese Reaktion Wasser nötig ist. Dies wird erst bei der Reaktion gebildet.

Das Hydroxid-Ion des Natriumhydroxids ist hier die Brønsted-Base, da es ein Proton aufnimmt. Chlorwasserstoff ist die Brønsted-Säure, da es ein Proton abgibt.

Die Neutralisation von Basen mit Säuren werden wir beim Thema Neutralisation noch ausführlicher besprechen.

Ein anderer wesentlicher Unterschied zwischen der Theorie von Arrhenius und Brønsted ist die Tatsache, dass Brønsted-Basen nicht auf Hydroxid-Ionen begrenzt sind.

Beispiel:

ammoniakwasser

Hier ist Ammoniak eine Brønsted-Base, da Ammoniak-Moleküle Protonen aufnehmen. Wasser ist die Brönsted-Säure, da es ein Proton abgibt. Eine Lösung von Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen wird auch Ammoniakwasser genannt.

  • Alle Basen sind Brønsted-Basen, aber nicht alle Arrhenius-Basen sind Brønsted-Basen.
  • Arrhenius-Basen sind nach ihrer Struktur definiert (Metallhydroxide), während Brønsted-Basen durch ihre Funktion Protonen aufzunehmen definiert sind.
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