1.3 Chemische Reaktionen des Wassers

1.3
Chemische Reaktionen des Wassers - Bildung von Säuren und Basen
• Säure- und Basebegriff nach Arrhenius (1887)
Wasser reagiert mit Nichtmetalloxiden
(Säureanhydriden) zu Säuren.
SO2(aq) + H2O
H2SO3(aq)
Die gebildete Säure löst sich molekular
in Wasser. Dabei erfolgt ein teilweiser/
vollständiger Zerfall in Protonen und
Säurerestionen.
H2SO3(aq)
HSO3-(aq)
Wasser reagiert mit Metalloxiden
(Basenanhydriden) zu Basen (Metallhydroxiden).
CaO(s) + H2O
Ca(OH)2(s)
Metallhydroxide zerfallen in Metall- und
Hydroxidionen.
Ca(OH)2(s) + H2O
Ca2+(aq) +
2 OH-(aq)
H+(aq) + HSO3-(aq)
H+(aq) + SO32-(aq)
Charakter der Oxide der Elemente der 2. und 3. Periode
Hauptgruppe
I
II
ns1
ns2
1
2
3
4
5
6
7
8
2. Periode
Li2O
BeO
B2O3
CO2
N2O5
-
F2O
-
3. Periode
Na2O
CaO
Al2O3
SiO2
P2O5
SO3
Cl2O7
XeO4
Valenzelektronen der
Elemente
Metallcharakter /
Basizität der Oxide
Nichtmetallcharakter
/ Acidität der Oxide
III
IV
V
VI
VII
VIII
2
4
2
5
ns2 np1 ns2 np2 ns2 np3 ns np ns np ns2 np6
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
CO2(g)
Reaktion mit Wasser
CO2 + H2O
Säure
H2CO3(aq)
Name der Säure
Kohlensäure
Anionen / Salze
HCO3CO32-
Hydrogencarbonat
Carbonat
N2O3(g) N2O3 + H2O
2 HNO2(aq) salpetrige Säure NO2-
N2O5(s) N2O5 + H2O
2 HNO3(aq)
Salpetersäure
NO3-
Nitrat
P4O10(s) P4O10 + 6 H2O
4 H3PO4(aq)
Phosphorsäure
H2PO4HPO42PO43-
Dihydrogenphosphat
Hydrogenphosphat
Phosphat
SO2(g)
SO2 + H2O
H2SO3(aq)
schweflige
Säure
HSO3SO32-
Hydrogensulfit
Sulfit
SO3(g)
SO3 + H2O
H2SO4(aq)
Schwefelsäure
HSO4SO42-
Hydrogensulfat
Sulfat
Nitrit
Sauerstofffreie anorganische Säuren - Lösung von polaren Wasserstoffverbindungen in Wasser
Verbindung
Säure
Anionen / Salze
H2S(g)
Schwefelwasserstoffwasser
H2S(aq)
HSS2-
Hydrogensulfid
Sulfid
HF(g)
Flusssäure
HF(aq)
F-
Fluorid
HCl(g)
Salzsäure
HCl(aq)
Cl-
Chlorid
Organische Säuren
Säure
CH3COOH (l oder s)
Essigsäure (Eisessig)
Anionen / Salze
CH3COOH(aq)
Essig(säure)
CH3COO-
Acetat
Protolyse von Essigsäure
H2O
CH3–COOH(l)
Essigsäure
H2O
CH3–COOH(aq)
H+(aq) + CH3–COO-(aq)
wässrige Essigsäurelösung
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
Na2O + H2O
2 NaOH
Natriumhydroxid
Natronlauge
K2O(s)
K2O + H2O
2 KOH
Kaliumhydroxid
Kalilauge
CaO(s)
CaO + H2O
Ca(OH)2
Calciumhydroxid
Kalkwasser
BaO(s)
BaO + H2O
Ba(OH)2
Bariumhydroxid
Barytwasser
Na2O(s)
Hydroxidbildende Basen !?
NH3(g) + H2O
NH4+(aq) + OH-(aq)
Struktur und Zerfall von Säuren und Metallhydroxiden
In beiden Verbindungsklassen liegen H–O–EBindungen vor.
Beispiel
Schweflige Säure:
kovalente H–O-Bindung
kovalente O–S-Bindung
H
O
H
O
H+
S
O
Calciumhydroxid:
kovalente H–O-Bindung
ionische HO-⋅⋅⋅Ca2+-Bindung
H
2+ O
O- Ca
H
OH-
Stoffklasse Salze (Arrhenius)
Salze sind Ionenverbindungen, die aus Metallion (Kation der Base) und Anion
(Säurerest) zusammengesetzt sind. Sie entstehen durch Neutralisation von
Arrhenius-Säuren und -Basen.
H2O
Na2SO4
2 Na+ + SO42H2O
2 NaOH + H2SO4
Na2SO4 + 2 H2O
Bildungsreaktionen für Salze
Reaktion von Base und Säure
2 Na+ + OH- + 2 H+ + SO42-
2 Na+ + SO42- + 2 H2O
Reaktion von Metalloxid (Baseanhydrid) und Säure
Fe2O3(s) + 6 H+ + 6 Cl-
2 Fe3+ + 6 Cl- + 3 H2O
Reaktion von Base und Nichtmetalloxid (Säureanhydrid)
Ca2+ + 2 OH- + CO2(g)
CaCO3(s) + H2O
Reaktion von Metalloxid und Nichtmetalloxid
CaO(s)
+ SiO2(s)
CaSiO3(s)
Name und Formel von Salzen
Ersatz des Wasserstoffs in Säuren durch Metallionen
Name
Kation
Anion
Kaliumsulfat
K+
SO42-
Magnesiumchlorid
Mg2+
Cl-
Calciumhydrogencarbonat
Ca2+
HCO3-
Calciumphosphat
Ca2+
PO43-
Kupfer(II)-carbonat
Cu2+
CO32-
Aluminiumnitrat
Al3+
NO3-
Salz (Ionenverbindung)
Bindemittel als salzartige Ionenverbindungen
Erhärtung von Kalkputz / Carbonatisierung
Ca(OH)2 + CO2
CaCO3 + H2O
Puzzolanische Reaktion / Erhärtung von Kalksandstein
Ca(OH)2 + SiO2
CaSiO3 + H2O
Gips als salzartiges Bindemittel / Salzhydrat / Erhärtung als Folge
Hydratbildung (Löslichkeit)
CaSO4 ⋅ ½ H2O + 3/2 H2O
CaSO4 ⋅ 2 H2O
• 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
Kovalente Verbindungen (∆EN < 1,7)
Name
Formel
Schwefelwasserstoff
Distickstoffpentoxid
Phosphortrichlorid
Ionische Verbindungen (∆EN > 1,7)
Name
Calciumfluorid
Mangan(IV)-oxid
Aluminiumsulfat
Formel