Hydronium-Ion und Dissoziation

Hallo, liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. Herzlich willkommen zu diesem Video: Säuren. Wir befinden uns bereits im Teil 8 und das Thema des heutigen Videos lautet: Dissoziation und Hydronium-Ion. Richtig, wir sind zur Dissoziation zurückgekehrt, denn die Dissoziation ist einer der wichtigsten Prozesse bei der Betrachtung und Beurteilung von Säuren. Und wir haben heute eine kleine Inszenierung vorbereitet, an der beteiligt sind: Hauptakteur: eine Säure, das allmächtige Wasser und der Vermittler des gesamten Prozesses: das Hydronium-Ion. Gut, schießen wir los und legen los mit dem 1. Akt. Die kleine Säure, die ich hier habe, beispielgebend für die gesamte Klasse der Säuren, soll sein? Chlorwasserstoff, richtig! Welche Formel hat Chlorwasserstoff? Ich höre euch rufen: HCl, HCl. Richtig! Und nun schreiben wir die Dissoziationsgleichung für Chlorwasserstoff, Salzsäure, in wässriger Lösung auf. Wir beginnen. HCl dissoziiert in wässriger Lösung in ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion und in ein negativ geladenes Säurerest-Ion, Chlorid-Ion. Ja, Wasserstoff, Chlor und die dissoziieren: positiv geladenes Wasserstoff-Ion und negativ geladenes Chlorid-Ion. So, nun sagt ihr: Was soll das? Kennen wir. Denkt an die Videos 6, 7, wo ich schon etwas über die Energetik dieses Prozesses ausgesagt habe und über das Wunder der Einwirkung des Wassers. Heute wollen wir es etwas weiter treiben damit. Und was jetzt kommt, ist eigentlich noch ein bisschen Wiederholung, aber das brauchen wir unbedingt. Denn: Wie sieht es aus, wenn ich das Wasser wegnehme, wenn ich den Prozess nur in der Gasphase ablaufen lasse? Na, wir können es ganz einfach aufschreiben: Gasphase. Ja, und da wird jeder sagen: Was soll das? Schreiben wir das Gleiche noch mal auf, also: HCl dissoziiert, diesmal allerdings ohne Wasser, in ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion und ein negativ geladenes Chlorid-Ion. So, das Whiteboard ist geduldig, wir auch, aber nicht endlos lange. Denn wir müssen jetzt in Erfahrung bringen: Wie groß ist überhaupt die Energie, die wir in diesen Prozess hineinstecken müssen? Und die ist gewaltig! Es ist ein riesiger endothermer Prozess. Und um den zu bewältigen, bedarf es einer großen Energiemenge. So, und was ist das? Das sind 1370 (heute sind wir etwas genauer) kJ/mol. So, wunderbar. Gut, das haben wir. Ja, und da ist natürlich die Frage: Wasser, was tust du eigentlich? Ja, und was macht das Wasser? Das haben wir in den Videos vorher auch gelernt, das Wasser spielt eine herausragende Rolle, denn sobald sich dieses Proton abgelöst hat und in eine große Umgebung von Wasserteilchen kommt, bildet es mit diesen Protonen eine feste Bindung aus. Und im Ergebnis bildet sich das Hydronium-Ion. Und diese Reaktion formulieren wir. Das haben wir in den Videos vorher auch schon gemacht, ist aber unbedingt notwendig für unsere heutige Betrachtung. H+ + H2O (und ich formuliere als Gleichgewicht) reagiert zu H3O+. Das ist das Hydronium-Ion. So, und im Unterschied zur 1. Reaktion, die endotherm ist, ist das eine gewaltig exotherme Reaktion und dabei wird eine Energie frei von etwa 1100 kJ/mol. Ja, wie viel ist das ungefähr? Wisst ihr, wie viel das ist? Das reicht, um 3 Liter Kaffee zu kochen. Ja? Also, 3 Liter Wasser kann man damit erhitzen. 3 Liter Wasser, müsst ihr euch mal vorstellen. Gewaltig, gewaltig! So, das haben wir. Nun müssen wir uns überlegen: Wie sieht die Energiebilanz nun aus? Und die Energiebilanz, die sieht ganz einfach aus. Wir müssen beide Energien addieren. Ja, das sollte uns nicht schwerfallen, hier was zu addieren. Dann legen wir mal los. Hier kommt ein Strichlein klein darunter und wir addieren. Na, addiert? Im Kopfrechnen seid ihr alle gut, negative Zahlen kennt ihr auch, also es ergibt sich: 270 kJ/mol. Und jetzt schreibe ich mal hier ran: ein positives Vorzeichen! Und positiv ist, was das spontane Verhalten eines Prozesses betrifft, immer? Negativ! Na klar, das wissen wir. So, 3 Liter Wasser war gewaltig, löschen wir weg, brauchen wir jetzt nicht mehr weiter. Ja, und nun ergibt sich natürlich die Frage: Wie kommt es aber trotzdem, dass dieser Prozess abläuft? Warum läuft er spontan ab? Wir müssen ja nicht erwärmen, wenn wir HCl in wässrige Lösung geben. Und da habe ich euch das letzte Mal schon gesagt, gibt es noch eine zweite Komponente, die hier eine wichtige Rolle spielt. Und diese zweite Komponente ist das Chlorid-Ion. Denn das haben wir bis jetzt überhaupt noch gar nicht berücksichtigt, das schwadroniert da so irgendwie herum. Und das Chlorid-Ion hier, das kann nämlich mit dem Wasser auch Komplexe bilden, die zwar nicht so kräftig sind wie die des Hydronium-Ions mit dem Wasser, aber bei der Energetik des Gesamtprozesses eine große Rolle spielen. Ich will es erst begründen, dann nenne ich euch die Zahl. Ich habe etwas vorbereitet auf der Rückseite, schaut euch das mal an. Und zwar Folgendes: Das ist das Chlorid-Ion. Im Gegensatz zur üblichen Darstellung habe ich die negative Ladung in das Zentrum verlegt. Es soll bedeuten, dass sie eigentlich über das gesamte Teilchen delokalisiert ist. Denn die negative Ladung macht ja eigentlich der Mangel an Elektronen aus. So, und die Wasserteilchen, das sind alles einzelne Wasserteilchen in der Gesamtmenge des Wassers, von dem das Chlorid-Ion umgeben wird, sind jetzt so strukturiert, als ob sie kleine amerikanische Fußbälle wären, mit einem positiven Ende und einem negativen Ende. Das positive Ende orientiert sich zu so einem Komplex, man nennt das auch Solvatisierung oder Hydratisierung, um das Chlorid-Teilchen herum. Und das führt dazu, dass dabei auch Energie frei wird. Es wird also ein günstigeres System gebildet. Und das sind -360 kJ/mol. Das ist unwahrscheinlich wichtig, denn sonst könnte die Säure überhaupt nicht dissoziieren. Und das notieren wir uns jetzt mal auf der Rückseite. So, jetzt haben wir noch diese Sache mit dem Chlorid-Teilchen. Das Chlorid-Ion, Cl- – so, und ich schreibe hierzu mal Gasphase - ja, es befindet sich jetzt in der Gasphase und es reagiert jetzt unter dem Einfluss von Wasser und bildet jetzt diesen Komplex. Um das einmal zu veranschaulichen, schreibe ich bloß dieses Chlorid-Ion und schreibe dahinter aq, ja, das heißt also, wir befinden uns jetzt im Wasser, wir haben dieses Igelchen. Und das Ergebnis der ganzen Geschichte ist: Wir haben hier noch einmal -360 kJ/mol. Und Minus heißt für einen Prozess immer positiv, also günstig. Und nun sind wir bald am Ende hier unten, denn jetzt kommt die Endrechnung. Und die Endrechnung vollziehen wir durch ganz einfache Addition. Wir haben gehabt: 270 kJ/mol, positiv, -360 kJ/mol, das heißt also, wir addieren, wir sind ja im Kopfrechnen gut, ihr besonders, ich nicht ganz so, aber naja: -90 kJ/mol. Und das ist wichtig, denn das ist nämlich der Wert, der entscheidend dafür ist, ob die Reaktion abläuft oder nicht. Und die Reaktion, das ist die hier. Demzufolge können wir hier schreiben, wenn wir eine Wärmemenge haben, ich verwende die thermodynamischen Begriffe bewusst mal nicht, welche Wärme wird also frei? Q=-90 kJ/mol. Wir haben rund gerechnet, so auf ein paar Zehner kJ/mol soll es uns nicht ankommen. Aber das ist wichtig. Und dieses Minus, was wir hier haben, das ist ganz, ganz wichtig. Das zeigt nämlich, dass die Dissoziation abläuft. Und damit haben wir gezeigt, warum Chlorwasserstoff Salzsäure dissoziiert, warum es eine starke Säure ist, warum sie in positiv geladene Wasserstoff-Ionen und negativ geladene Chlorid-Ionen zerfällt. So einfach kann Chemie sein – aber auch so schwer. Ich bedanke mich für eure Aufmerksamkeit. Ich wünsche euch alles Gute. Bis zum nächsten Mal. Tschüss!