Ammoniak in Wasser

Vorwissen: Protonenübergang bei HCl, Elektronenpaarbindung, Wasserstoffbrücken. Bei HCl nimmt Wasser ein Proton auf. Was passiert, wenn Ammoniak auf Wasser trifft?

Beobachten und deuten

NH₃ trifft H₂O: Welches Teilchen gibt hier das Proton ab, welches nimmt es auf? Vergleiche mit HCl + H₂O auf der Seite Protonenübergang. Was fällt dir an der Rolle des Wassers auf?
Vergleiche die Form von NH₃ (Pyramide) und NH₄⁺ (Tetraeder). Drehe das Modell dazu.
NH₃ in Wasser: Beobachte eine Weile. Wie viel Prozent der Zeit liegt das Teilchen als NH₄⁺ vor? Warum spricht man von einem Gleichgewicht?
Schalte die Wasserstoffbrücken ein. Wie bewegt sich das OH⁻-Ion durch das Wasser?
Viele Teilchen: Gib mehrmals NH₃ zu. Wie viele NH₄⁺-Ionen siehst du im Vergleich zu den NH₃-Molekülen? Vergleiche den Universalindikator mit dem bei HCl.
Erkläre, warum Ammoniak eine schwache Base und Chlorwasserstoff eine starke Säure ist.

Zum Drehen auf der Bühne ziehen (oder Pfeiltasten), zum Vergrößern Mausrad, zwei Finger oder + / −. H₃O⁺ violett, OH⁻ blau umrandet. Sauerstoff rot, Wasserstoff weiß, Stickstoff blau, orange: das übertragene Proton, solange es in einem H₃O⁺ oder NH₄⁺ sitzt.

Ablauf

Darstellung Wasserstoffbrücken zeigen Unbeteiligte Teilchen blass Formel zeigen

Zahlen im Hintergrund und Grenzen des Modells

Geometrie: N–H 1,01 Å und H–N–H 107° im NH₃ (Pyramide); N–H 1,03 Å und 109,5° im NH₄⁺ (Tetraeder); O–H 0,96 Å und H–O–H 104,5° im Wasser. 1 Å = 10⁻¹⁰ m.
Das Ammonium-Ion NH₄⁺ selbst ist stabil (Ammoniumsalze wie NH₄Cl sind beständig). Es gibt sein Proton nur deshalb zurück, weil OH⁻ eine stärkere Base ist als NH₃. In echter Ammoniaklösung lebt ein NH₄⁺, dessen OH⁻ davongewandert ist, im Mittel etwa 10 bis 20 Nanosekunden, bis es auf ein anderes OH⁻ trifft; im Modell ist das stark verkürzt.
Gleichgewicht: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ mit K_B = 1,8 · 10⁻⁵ mol/L (pK_B = 4,75). In einer Ammoniaklösung mit 0,1 mol/L ist nur etwa 1 % des NH₃ protoniert; der pH-Wert beträgt etwa 11.
Im Modell sind Hin- und Rückreaktion stark beschleunigt und so eingestellt, dass NH₄⁺ selten, aber sichtbar vorkommt. Im Modell liegt ein NH₃-Teilchen deshalb etwa ein Viertel der Zeit als NH₄⁺ vor, viel öfter als in Wirklichkeit; sonst sähe man den Vorgang fast nie. Auch so gilt: Die meisten Teilchen bleiben NH₃. Meist bleibt ein frisch gebildetes NH₄⁺ kurz mit seinem OH⁻ zusammen und gibt das Proton dann zurück. Etwa jedes dritte Mal wandert das OH⁻ durch Protonenübergänge davon; dann bleibt das NH₄⁺ eine Weile bestehen, bis wieder ein OH⁻ vorbeikommt. Gelöstes NH₃ wird im Modell leicht unter die Oberfläche gezogen, weil es von Wassermolekülen umgeben besonders stabil ist (Hydratation); Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich.
Protonenübergänge folgen einfachen Regeln, nicht einer quantenchemischen Rechnung: Ein Proton springt nur, wenn ein passendes Teilchen über eine Wasserstoffbrücke nah genug und richtig ausgerichtet ist.
Zeit: Bei „normal“ entspricht 1 Sekunde etwa 1 Pikosekunde (10⁻¹² s). Ein Sprung läuft immer in Zeitlupe, unabhängig vom gewählten Tempo; das Tempo ändert nur die Wartezeit zwischen den Sprüngen. Die Teilchen bewegen sich zufällig (Wärmebewegung); Bindungslängen und Winkel werden fest gehalten.
Universalindikator in „Viele Teilchen“: Die Farbe folgt einem Modell-pH aus dem zeitlich gemittelten Überschuss an OH⁻-Ionen, nicht dem echten pH-Wert (der Kasten ist dafür viel zu klein). Weil die meisten NH₃-Moleküle kein Proton aufnehmen, zeigt der Indikator bei Ammoniak nur schwach basisch, bei gleich viel NaOH dagegen stark basisch (Seite Neutralisation).
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.