Protonenübergang

Vorwissen: Elektronenpaarbindung, polare Bindung, Wasserstoffbrücken. Was passiert, wenn Chlorwasserstoff auf Wasser trifft, und wie wandert das Proton danach durch das Wasser?

Beobachten und deuten

HCl trifft H₂O: Gehe Schritt für Schritt vor. Welche Bindung wird gespalten, welche gebildet? Welches Teilchen ist Protonendonator, welches Protonenakzeptor?
Vergleiche die Form des Wassermoleküls mit der Form des Oxonium-Ions H₃O⁺. Drehe das Modell dazu.
Das übertragene Proton im H₃O⁺ ist orange. Verfolge es in „HCl trifft H₂O“ und „HCl in Wasser“: Wandert immer dasselbe Proton weiter?
Schalte die Wasserstoffbrücken ein. Auf welchem Weg springt das Proton von einem Molekül zum nächsten?
Viele Teilchen: Gib nacheinander mehrmals HCl zu und beobachte den Universalindikator. Wie ändert sich die Farbe, und warum? Warum findet man in Salzsäure praktisch keine HCl-Moleküle?
Was macht das Chlorid-Ion, nachdem es entstanden ist?
Viele Teilchen: Beobachte reines Wasser eine Weile. Was passiert bei der Autoprotolyse, und was, wenn sich H₃O⁺ und OH⁻ treffen?

Zum Drehen auf der Bühne ziehen (oder Pfeiltasten), zum Vergrößern Mausrad, zwei Finger oder + / −. H₃O⁺ violett, OH⁻ blau umrandet. Sauerstoff rot, Wasserstoff weiß, Chlor grün, 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: O–H 0,96 Å und H–O–H 104,5° im Wassermolekül; O–H 0,98 Å und H–O–H etwa 112° im Oxonium-Ion (flache Pyramide); H–Cl 1,27 Å. 1 Å = 10⁻¹⁰ m.
Die Teilchen bewegen sich zufällig (Wärmebewegung). Bindungslängen und Winkel werden fest gehalten; Schwingungen der Bindungen sind nicht dargestellt.
Der Protonenübergang folgt einer einfachen Regel, nicht einer quantenchemischen Rechnung: Ein Oxonium-Ion gibt ein Proton nur weiter, wenn ein Wassermolekül über eine Wasserstoffbrücke nah genug und passend ausgerichtet ist. HCl gibt sein Proton ab, sobald es im Wasser ist (in Wirklichkeit in weniger als 1 ps), und wird nicht zurückgebildet (starke Säure). Die Nahaufnahme „HCl trifft H₂O“ zeigt diesen Vorgang stark verlangsamt in Schritten.
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. In Wirklichkeit dauert der Sprung selbst nur einige Femtosekunden; ein H₃O⁺ gibt sein Proton nach etwa 1 bis 2 ps weiter.
In Wirklichkeit ist das überschüssige Proton in Wasser meist über mehrere Moleküle verteilt (Zundel-Ion H₅O₂⁺, Eigen-Ion H₉O₄⁺). Das Modell zeigt der Einfachheit halber immer ein einzelnes H₃O⁺.
Ein einzelnes Wassermolekül kann HCl nicht ionisieren; dazu braucht es mehrere Wassermoleküle, die die entstehenden Ionen umgeben. In der Nahaufnahme stehen deshalb drei weitere, blass gezeichnete Wassermoleküle daneben.
Autoprotolyse: In reinem Wasser gilt bei 25 °C c(H₃O⁺) = c(OH⁻) = 10⁻⁷ mol/L. Damit ist nur etwa jedes 550-millionste Wassermolekül ionisiert, und ein einzelnes Wassermolekül gibt im Mittel nur etwa alle 10 Stunden ein Proton ab. In „Viele Teilchen“ ist die Autoprotolyse deshalb enorm beschleunigt dargestellt; mit 22 Wassermolekülen würde man sie sonst nie sehen. Ist HCl im Kasten, zeigt das Modell keine Autoprotolyse mehr: Entstehende OH⁻-Ionen würden von den vielen H₃O⁺-Ionen sofort abgefangen.
Universalindikator in „Viele Teilchen“: Die Farbe folgt einem Modell-pH, nicht dem echten pH-Wert. Der Kasten ist so klein (etwa 0,9 nm³), dass schon ein einziges H₃O⁺-Ion rund 1,9 mol/L entspräche, also einem pH-Wert unter 0. Der Modell-pH sinkt deshalb einfach in Stufen mit der Zahl der überschüssigen Oxonium-Ionen (0: pH 7, 1: pH 5, 2: pH 4, 3: pH 3 …). Er zeigt nur die Richtung: mehr Säure, kleinerer pH-Wert, Farbe von Grün über Gelb und Orange nach Rot. Bei der Autoprotolyse entstehen H₃O⁺ und OH⁻ gleich oft, das Wasser bleibt neutral.
Der Kasten enthält nur wenige Dutzend Teilchen. Echte Salzsäure enthält in einem Tropfen etwa 10²⁰ Teilchen, und die Ionen sind viel weiter verdünnt.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.