Grundlagen der Chemie: Wässrige Reaktionen, pH-Wert und Redox-Prozesse

Reaktionen in wässrigen Lösungen

Definition von Säuren und Basen nach Brønsted-Lowry

Nach Brønsted-Lowry gilt:

• Säure: Eine Substanz, die Protonen (H⁺) abgeben kann.
• Base: Eine Substanz, die Protonen (H⁺) aufnehmen kann.

Damit eine Substanz als Säure fungieren kann, muss in ihrer Gegenwart eine andere Substanz als Base fungieren und das von der Säure übertragene Proton aufnehmen. In wässrigen Lösungen spielt Wasser die Rolle eines Ampholyten (kann als Säure oder Base reagieren).

Konjugierte Säure-Base-Paare

Wenn eine Säure ein Proton abgibt, entsteht eine Spezies, die fähig ist, dieses Proton wieder aufzunehmen. Diese Spezies wird als konjugierte Base bezeichnet. Wenn eine Base Protonen annimmt, entsteht eine Spezies, die in der Lage ist, Protonen abzugeben. Diese Spezies wird als konjugierte Säure bezeichnet.

Das Gleichgewicht der Wasserdissoziation (Kw)

Wasser verhält sich als Säure und Base gemäß der Reaktion:

$$2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-$$

Dabei dissoziiert Wasser in Hydroniumionen (H₃O⁺) und Hydroxidionen (OH^-).

Das Ionenprodukt des Wassers (Kw)

Das Ionenprodukt des Wassers ($K_w$) ist definiert als die Konstante $K_w = [\text{H}_3\text{O}^+] \cdot [\text{OH}^-]$. Bei 25 °C beträgt der Wert des Ionenprodukts des Wassers $K_w = 10^{-14}$.

Die pH-Skala

Die Konzentrationen der Ionen H₃O⁺ und OH^- in wässrigen Lösungen sind sehr kleine Mengen. Um die Acidität und Basizität dieser Lösungen schnell und praktisch zu messen, wird die pH-Skala verwendet.

Der pH-Wert einer Lösung ist der negative dekadische Logarithmus der molaren Konzentration der Hydroniumionen:

• $$\text{pH} = - \log [\text{H}_3\text{O}^+]$$
• $$\text{pOH} = - \log [\text{OH}^-]$$
• $$\text{pH} + \text{pOH} = 14$$

Klassifizierung von Lösungen:

• Saure Lösung: pH < 7
• Neutrale Lösung: pH = 7
• Basische Lösung: pH > 7

Grundlagen der Oxidation und Reduktion (Redox)

Aus elektronischer Sicht liegt eine Oxidations-Reduktions-Reaktion (Redox-Reaktion) vor, wenn Elektronen übertragen werden. Oxidation und Reduktion können niemals isoliert voneinander betrachtet werden, denn wenn ein Stoff Elektronen verliert, muss ein anderer sie gewinnen.

Definitionen

• Oxidation: Eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen verliert. Man sagt, der Stoff wird oxidiert. Die Substanz, die Elektronen verliert, wird als Reduktionsmittel bezeichnet.
• Reduktion: Eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen gewinnt. Man sagt, der Stoff wird reduziert. Die Substanz, die Elektronen gewinnt, wird als Oxidationsmittel bezeichnet.

Redox-Agentien

Bei Redox-Reaktionen gibt es einen Transfer von Elektronen vom Reduktionsmittel zum Oxidationsmittel.

• Das Oxidationsmittel ist die chemische Spezies (Ion, Atom oder Molekül), die eine andere Spezies zur Oxidation veranlasst. Es muss Elektronen gewinnen und wird dabei selbst reduziert.
• Das Reduktionsmittel ist die chemische Spezies, die eine andere Spezies zur Reduktion veranlasst. Es muss Elektronen abgeben und wird dabei selbst oxidiert.

Wichtige Konzentrationseinheiten

Zur Beschreibung der Zusammensetzung einer Lösung werden verschiedene Konzentrationseinheiten verwendet:

1. Massenkonzentration (g/L): Die Menge des gelösten Stoffes, ausgedrückt in Gramm, pro Liter Lösung. (Gramm gelöster Stoff enthalten in 1 Liter Lösung).
2. Molare Konzentration (Molarität, mol/L): Die Menge des gelösten Stoffes, ausgedrückt in Mol, pro Liter Lösung. (Anzahl der Mole des gelösten Stoffes in 1 Liter Lösung).
3. Molalität (mol/kg): Die Menge des gelösten Stoffes in Mol pro Kilogramm Lösungsmittel.
4. Molenbruch ($\chi$): Das Verhältnis der Stoffmenge (Anzahl der Mole) einer Komponente zur Summe der Stoffmengen aller Komponenten in der Lösung.

Stöchiometrie

Das limitierende Reagenz (Grenzreagenz)

Wenn eine chemische Reaktion abläuft, liegen die Reaktanten wahrscheinlich nicht im exakten stöchiometrischen Verhältnis vor (welches immer konstant ist), sondern es ist ein Überschuss von einem oder mehreren Reaktanten vorhanden.

In diesem Fall wird ein Reagenz vollständig verbraucht. Dieses Reagenz wird als limitierendes Reagenz (oder Grenzreagenz) bezeichnet, da es die Reaktion begrenzt und die maximale Produktmenge bestimmt.