Protolyse

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Die Protolyse (oder auch protolytische Reaktion) ist eine chemische Reaktion, bei dem ein Proton zwischen zwei Reaktionspartnern übertragen wird. Der Begriff führt häufig zu Fehlinterpretationen und es wird fälschlicherweise von Abspaltung eines Protons gesprochen. Die Protolyse ist der entscheidende Vorgang nach der Brønstedschen Säure-Base-Theorie. Danach überträgt eine Säure ein Proton (H⁺-Ion) an einen Reaktionspartner. Die als Säure bezeichnete Verbindung wirkt als Protonenspender (Protonendonator), die Base (meist Wasser) nimmt die Protonen auf und wird daher als Protonenakzeptor bezeichnet. Zwischen den Reaktionspartnern stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.

Protolyse von Chlorwasserstoff in Wasser:

HCl + H₂O

H₃O⁺ + Cl^-

In dieser Reaktiongleichung sind die Molekül HCl und das Ion H₃O⁺ Protonendonatoren, also nach Brønsted Säuren. H₂O und Cl^- wirken als Protonenakzeptoren, sie sind nach Brønsted also Basen.

Protolyse von der zweiprotonige Verbindung Schwefelsäure in Wasser:

H₂SO₄ + 2 H₂O

H₃O⁺ + H₂O + HSO₄^-

2 H₃O⁺ + SO₄^2-

In dieser Reaktiongleichung sind die Moleküle H₂SO₄ und das Ion H₃O⁺ Protonendonatoren, also nach Brønsted Säuren. H₂O und SO₄^2- wirken als Protonenakzeptoren, sie sind nach Brønsted also Basen. Eine besondere Rolle spielt HSO₄^-, das je nach Reaktionsrichtung als Protonenakzeptor oder Protonendonator reagieren kann. Man bezeichnet Substanzen mit solchen Eigenschaften als Ampholyte.

Reines Wasser unterliegt einer sogenannten Autoprotolyse. Hierbei entstehen Oxoniumionen und Hydroxidionen.

2 H₂O

H₃O⁺ + OH^-

Wasser reagiert sowohl als Säure als auch als Base. Man spricht daher auch hier einem Ampholyten. Das Ionenprodukt für diese Reaktion beträgt bei 298 K (25 °C) 10^-14 mol² l^-2. Das Gleichgewicht liegt also sehr stark auf Seite des Wassers. Die Autoprotolyse des Wassers ist der Grund dafür, dass auch chemisch reines Wasser eine zumindest geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Autoprotolyse ist deutlich abhängig von der Temperatur. So beträgt die Gleichgewichtskonstante (in mol² l^-2):

bei 0 °C 0,11 * 10^-14, also rund 10^-15
bei 60 °C 9,61 * 10^-14, also rund 10^-13

Dementsprechend ist auch der → pH-Wert von Wasser temperaturabhängig. Damit ergibt sich für

reines Wasser bei 0 °C ein pH von 7,5
reines Wasser bei 25 °C ein pH von 7,0
reines Wasser bei 60 °C ein pH von 6,5

In Brønstedschen Säure-Base-Reaktionen können neben Wasser auch andere hinreichend polare Lösungsmittel als Reaktionspartner dienen, zum Beispiel Methanol oder Ethanol. Ein gutes Beispiel ist die Autoprotolyse des flüssigen Ammoniaks. Es bilden sich die Ionen Ammonium und Amid.

2 NH₃

NH₄⁺ + NH₂^-

Auch in konzentrierter Schwefelsäure sind analoge Reaktionen bekannt:

2 H₂SO₄

H₃SO₄⁺ + HSO₄^-