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Säuren, Laugen, Salze - Referat
Säuren, Laugen und Salze
Um das unterschiedliche Verhalten von Metallen und Nichtmetallen besser zu verstehen, werden wir die Eigenschaften von Oxiden und deren Verhalten gegenüber Wasser vergleichen.
Metalle und Nichtmetalle reagieren mit Sauerstoff zu Oxiden.
Metalloxide und Nichtmetalloxide unterscheiden sich durch Struktur und chemische Bindung, durch physikalische und chemische Eigenschaften.
Struktur und Bindung der Oxide
Wir wählen die Metalle Natrium, Magnesium, Aluminium und die Nichtmetalle Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel.
Die Metalloxide sind bei Zimmertemperatur Feststoffe. Ihr Bindungscharakter ist ionisch. Allerdings ist der ionische Charakter beim Aluminiumoxid schon schwächer. Dennoch wollen wir es wie die anderen Metalloxide behandeln. Die Oxide der Nichtmetalle sind meistens Gase oder hochmolekulare Feststoffe. Auf jeden Fall liegt bei ihnen nur der Bindungstyp der Elektronenpaarbindung vor.
Schmelz- und Siedetemperaturen einiger Oxide
Oxid Verhältnisformel Schmelztemperatur
(Fp) Siedetemperatur (Kp)
Natriumoxid Na2O 1132 °C 1950 °C + Zers.
Magnesiumoxid MgO ~ 2800 °C ~ 3600 °C
Aluminiumoxid Al2O3 2050 °C 2980 +/- 60 °C
Kohlenstoffdioxid CO2 -56 °C (5,3 bar) -78,5 °C (Sublim.)
Kohlenstoffmonoxid CO -205,7 °C -191,55 °C
Stickstoffdioxid NO2 -11,2 °C 21,15 °C
Stickstoffmonoxid NO -163,65 °C -151,77 °C
Schwefeldioxid SO2 -75,48 °C -10,02 °C
Die Tabelle zeigt hohe Schmelz- und Siedetemperaturen bei Metalloxiden und niedrige bei Nichtmetalloxiden.
Die Ursache des unterschiedlichen Verhaltens finden wir, wenn wir die Struktur- und Bindungsverhältnisse genauer untersuchen.
Metalloxide fassen wir als ionische Feststoffe auf. Sie bestehen aus einem Gitter aus positiv geladenen Metallionen und negativ geladenen Oxidionen. Jedes Ion zieht entgegengesetzt geladene Ionen in allen Raumrichtungen an. Die Bindungen sind ungerichtet. Gleichartig geladene Ionen stoßen sich ab. Auf diese Weise entstehen Strukturen, bei denen die Anziehungskräfte möglichst stark, die Abstoßungskräfte gering sind. Auch die Ionenradien sind von besonderer Bedeutung. Die gebildeten Strukturen nennt man Ionengitter. Sie werden durch elektrostatische Anziehungskräfte, die Coulombkräfte, zusammengehalten. Das ist die Ionenbindung.
Nichtmetalloxide sind molekulare Feststoffe. Die Bindung zwischen den Atomen beschreiben wir mit dem Modell der Elektronenpaarbindung. Diese Bindungen sind gerichtet. Die intermolekularen Kräfte hängen von der Polarität der Moleküle ab. Unpolare Moleküle wie Stickstoffmonoxid haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen. Das unpolare Kohlenstoffdioxid und das schwach polare Kohlenstoffmonoxid können nur bei erhöhtem Druck in den festen Zustand gebracht werden. Bei Temperaturerhöhung sublimiert Kohlenstoffdioxid, der flüssige Aggregatzustand wird übersprungen. Bei Kohlenstoffmonoxid kann man mit einem Druck von 35 bar eine flüssige Phase erhalten.
Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid sind Dipolmoleküle mit etwas höheren Schmelz- und Siedetemperaturen.
Die unterschiedlichen Bindungsverhältnisse lassen sich mit der Elektronegativität erklären.
Zur Erinnerung: Die Elektronegativität ist das Bestreben eines Atomrumpfs, die Elektronen einer Elektronenpaarbindung zu sich heranzuziehen.
Nehmen wir die Metall-Sauerstoff-Bindung im Magnesiumoxid.
EN (O) = 3,44
EN (Mg) = 1,31
Man könnte eine Doppelbindung formulieren. Beide Atomrümpfe wären zweifach positiv geladen. Sauerstoff hat aber eine erheblich größere Elektronegativität. Es zieht die beiden Elektronenpaare vollständig zu sich heran. Dadurch erhalten beide Atome eine Edelgaskonfiguration. Es entstehen das zweifach positiv geladene Magnesiumion (Mg 2+)und das zweifach negativ geladene Oxidion (O 2-).
Zum Vergleich betrachten wir das Kohlenstoffdioxid.
EN(O) = 3,44
EN (C) = 2,55
Auch hier geht es um Doppelbindungen. Beide Atomrümpfe haben hohe Elektronegativitätswerte. Auch wenn der Wert des Sauerstoffatomrumpfs größer ist, gelingt es ihm nicht, die bindenden Elektronenpaare vollständig zu sich heranzuziehen. Er bekommt nur etwas mehr von der Elektronenladung, was dann Ladungsmangel am Kohlenstoffatom (positive Teilladung) und Ladungsüberschuss an den Sauerstoffatomen (negative Teilladungen ) bedeutet.
Die unterschiedlichen Teilchen, Moleküle und Ionen, bewirken dann auch ein unterschiedliches Verhalten gegenüber Wasser.
Verhalten der Oxide gegenüber Wasser
Verhalten der Metalloxide gegenüber Wasser
Die Oxide der Metalle der ersten und zweiten Hauptgruppe, Alkali- und Erdalkalimetalle, lösen sich in Wasser unter Bildung von alkalisch reagierenden Lösungen, Laugen. Es bilden sich Hydroxidlösungen. Allerdings sind die Hydroxide der Alkalimetalle wesentlich leichter löslich als die der Erdalkalimetalle.
Summengleichungen:
Na2O + H2O → 2 NaOH
MgO + H2O → Mg(OH)2
Wir sehen, anstelle der Oxidionen liegen Hydroxidionen im Produkt vor.
Oxidion Hydroxidion
Für die Reaktion bedeutet das: Die Oxidionen können nicht im Wasser frei existieren. Sie reagieren sofort mit Wassermolekülen. Dabei binden sie ein Proton. Es bilden sich zwei Hydroxidionen.
In diesen Lösungen liegen Metallionen und Hydroxidionen frei beweglich und unabhängig voneinander vor.
Die Hydroxidionen weisen wir mit Farbindikatoren wie Phenolphthalein oder Bromthymolblau nach. Diese Indikatoren reagieren mit den Hydroxidionen und verändern dadurch ihre Struktur und Farbe. Das farblose Phenolphthalein wird rot, die rote alkoholische Lösung von Bromthymolblau blau.
Diese Reaktion läuft immer ab, wenn sich ein Metalloxid in Wasser löst.
Verhalten der Nichtmetalloxide gegenüber Wasser
Wenn sich Nichtmetalloxide in Wasser lösen, kann auch eine Reaktion mit dem Wasser erfolgen. In diesem Fall ergeben sich sauer reagierende Lösungen oder Lösungen von Säuren.
Hier haben wir keine einheitlich ablaufende, leicht zu überblickende Reaktion. Deshalb werden wir uns zuerst nur zwei Beispiele von Edukten und Säureprodukten ansehen.
Kohlenstoffdioxid + Wasser → Kohlensäure
+ →
Schwefeltrioxid + Wasser → Schwefelsäure
+ →
Hier entstehen aus kovalent (Elektronenpaarbindung) gebundenen Sauerstoffatomen kovalent gebundene OH-Gruppen, die Hydroxylgruppen genannt werden.
Bei einer genauen Betrachtung stellt man zwei Gemeinsamkeiten fest.
Beide Produkte besitzen nicht nur Hydroxylgruppen, sie haben auch doppelt gebundene Sauerstoffatome. Warum?
Wir nehmen einmal an, es würden (analog zu den Metallhydroxiden) tatsächlich nur Hydroxylgruppen entstehen. Die Produkte sähen dann so aus.
r ( 1C ) = 77 pm r (1 O ) = 74 pm r ( 1S ) = 102 pm
Vier Sauerstoffatome können nicht ganz dicht an das Kohlenstoffatom herankommen. Sie behindern sich gegenseitig. Außerdem stoßen dich die freien Elektronenpaare der Sauerstoffatome ab.
Folgen: Die Elektronenpaarbindungen sind schwach, weil der Abstand zwischen den Atomrümpfen groß ist. Spalten wir rein formal ein Wassermolekül vom oben angegebenen gedachten Teilchen ab, so kommen wir zur Struktur des Kohlensäuremoleküls.
Ähnlich ist es auch bei der Schwefelsäure. Zwar ist das Schwefelmolekül etwas größer, dennoch können nicht sechs Sauerstoffatome dicht genug herankommen.
Hier müssen formal zwei Wassermoleküle entfernt werden.
→ + +
2 +
Diese Überlegungen sollen zeigen, dass die Reaktionen von Metalloxiden und Nichtmetalloxiden mit Wasser parallel betrachtet werden müssen.
Ein weiterer Nachweis:
Bor ist in der gleichen Gruppe wie Aluminium. Bor ist ein Nichtmetall. Es bildet ein hochmolekulares Oxid B2O3. Die Borsäure hat die Zusammensetzung H3BO3.
r (1B ) = 79 pm
Das Boratom hat einen ähnlichen Radius wie das Kohlenstoffatom. Hier können drei Sauerstoffatome Platz finden.
Wir haben oben gesagt, dass die Lösungen der Säuren sauer reagieren. Diese saure Reaktion weisen wir mit Farbindikatoren nach. Bromthymolblau wird gelb wenn es mit Hydroniumionen, H3O +, regiert. Sauer reagierende Lösungen enthalten demnach Hydroniumionen.
Wir wollen vereinfacht das Verhalten der Säuren gegenüber Wasser untersuchen.
Verhalten von Säuren gegenüber Wasser
Säuremoleküle reagieren mit Wassermolekülen. Beide Molekülsorten haben polare Hydroxylgruppen. Diese lagern sich so aneinander an, dass sich ungleichnamig geladene Teilladungen anziehen. Dann kommt es zu einer Protonenübertragung.
Hydroniumion Carbonation
So sieht das auch bei allen anderen Sauerstoffsäuren aus. Es bilden sich Säurerestionen und Hydroniumionen.
Sauer und alkalisch reagierende Lösungen
Hydroxidion und Hydroniumionen, die charakteristischen Ionen alkalisch oder sauer reagierender Lösungen, reagieren miteinander zu Wasser. Das geschieht, wenn Säure-Lösungen und Hydroxid-Lösungen zusammengegeben werden.
Diese Reaktion heißt Neutralisation. Wenn beide Ionensorten im gleichen Verhältnis vorliegen, erhalten wir eine Lösung, die weder sauer noch alkalisch reagiert. Solche Lösungen nennt man neutral (in Bezug auf diese Ionensorten).
Als Beispiel betrachten wir die Reaktion von Natronlauge mit Schwefelsäure.
Summengleichung
2 NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2 H2O
Wir zerlegen die Vorgänge.
Die Natronlauge weist Natriumionen und Hydroxidionen auf, die Schwefelsäure Sulfationen und Hydroniumionen. Letztere sind durch die Reaktion eines Schwefelsäuremoleküls mit zwei Wassermolekülen entstanden.
H2SO4 + 2 H2O 2 H3O + + SO4 2-
4 H2O + 2 Na + + SO4 2-
Lösung von Lösung von Lösung des Salzes
Schwefelsäure Natriumhydroxid Natriumsulfat
Natriumsulfat ist in Wasser gut löslich. Um es zu erhalten, muss das Wasser durch Verdampfen entfernt werden. Dann treten die Ionen zu einem Ionengitter zusammen. Das Salz kristallisiert aus.
2 Na + + SO4 2- Na2SO4
Allgemein:
Lösung einer + Lösung eines Salz + Wasser
Säure Hydroxids gelöst oder ungelöst
Wenn das Salz leichtlöslich ist, erhält man eine Lösung. Ist es schwerlöslich, fällt ein Niederschlag dieses Salzes aus.
Aufgaben:
1. Welche Reaktionen laufen (formal) ab, wenn folgende Säuren mit Wasser in Berührung kommen?
H2CO3 +
HNO3 +
HNO2 +
H2SO4 +
H2SO3 +
H3PO4 +
2. Nenne die Verhältnisformel der Hydroxide der Elemente
Lithium,
Natrium,
Kalium,
Magnesium,
Calcium,
Barium,
Aluminium.
Welche Trivialnamen haben die Lösungen der Hydroxide von Natrium, Kalium, Calcium und Barium?
3. Welche Salze der oben angegebenen Säuren bilden sich bei vollständiger Neutralisation mit Kalilauge(gelöstes Kaliumhydroxid) und Kalkwasser (gelöstes Calciumhydroxid)?
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Lisa10
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