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Manche Säuren können nicht nur ein, sondern zwei oder drei Protonen schrittweise abgeben – sie heißen mehrprotonige Säuren. Du lernst die drei Protolyse-Schritte der Phosphorsäure (H₃PO₄) kennen und erhältst eine Übersicht über ein-, zwei- und dreiprotonige Säuren mit ihren jeweiligen konjugierten Basen.
Grundlagen aus der 9. Klasse
Das Säure-Base-Konzept nach Brønsted – Protonendonator, Protonenakzeptor und konjugiertes Säure-Base-Paar – hast du bereits in der 9. Klasse kennengelernt: → Brønsted-Definition (Kl. 9) · → Neutralisation (Kl. 9)
3.4 Mehrprotonige Säuren
Aufgabe: Formuliere die Reaktionsgleichungen von Phosphorsäure (H₃PO₄) mit Hydroxid.
| 1. | H₃PO₄ + OH⁻ ⇌ H₂PO₄⁻ + H₂O | Phosphorsäure → Dihydrogenphosphat-Ion |
| 2. | H₂PO₄⁻ + OH⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H₂O | Dihydrogenphosphat-Ion → Hydrogenphosphat-Ion |
| 3. | HPO₄²⁻ + OH⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H₂O | Hydrogenphosphat-Ion → Phosphat-Ion |
Für eine vollständige Reaktion unter Abgabe sämtlicher 3 Protonen benötigt die Phosphorsäure eine starke Base.
Säuren, die mehrere Protonen abgeben können, bezeichnet man als mehrprotonige Säuren.
| Einprotonige Säuren | |||
| Chlorwasserstoff HCl |
Chlorid-Ion Cl⁻ |
Bromwasserstoff HBr |
Bromid-Ion Br⁻ |
| Perchlorsäure HClO₄ |
Perchlorat-Ion ClO₄⁻ |
Salpetersäure HNO₃ |
Nitrat-Ion NO₃⁻ |
| Ameisensäure HCOOH |
Formiat-Ion HCOO⁻ |
Essigsäure CH₃COOH |
Acetat-Ion CH₃COO⁻ |
| Zweiprotonige Säuren | ||
| Schwefelwasserstoff H₂S |
Hydrogensulfid-Ion HS⁻ |
Sulfid-Ion S²⁻ |
| schweflige Säure H₂SO₃ |
Hydrogensulfit-Ion HSO₃⁻ |
Sulfit-Ion SO₃²⁻ |
| Schwefelsäure H₂SO₄ |
Hydrogensulfat-Ion HSO₄⁻ |
Sulfat-Ion SO₄²⁻ |
| Kohlensäure H₂CO₃ |
Hydrogencarbonat-Ion HCO₃⁻ |
Carbonat-Ion CO₃²⁻ |
| Dreiprotonige Säure | |||
| Phosphorsäure H₃PO₄ |
Dihydrogenphosphat-Ion H₂PO₄⁻ |
Hydrogenphosphat-Ion HPO₄²⁻ |
Phosphat-Ion PO₄³⁻ |
Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen
Einprotonige Säuren
Geben genau 1 Proton ab. Beispiele: HCl, HNO₃, CH₃COOH. Die konjugierte Base entsteht durch einmalige Deprotonierung.
Zweiprotonige Säuren
Geben 2 Protonen in 2 Schritten ab. Beispiele: H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S. Jeder Schritt hat eine eigene Gleichgewichtskonstante.
Dreiprotonige Säure
Phosphorsäure (H₃PO₄) gibt 3 Protonen stufenweise ab: H₂PO₄⁻ → HPO₄²⁻ → PO₄³⁻. Vollständige Deprotonierung erfordert eine starke Base.
Stufenweise Protolyse
Jede Stufe ist ein eigenes Gleichgewicht. Die Säurestärke nimmt mit jeder Abgabe ab – H₂PO₄⁻ ist eine deutlich schwächere Säure als H₃PO₄.
Häufige Fragen – Mehrprotonige Säuren
Was versteht man unter einer mehrprotonigen Säure?
Eine mehrprotonige Säure ist eine Säure, die mehr als ein Proton (H⁺) abgeben kann. Die Abgabe erfolgt stufenweise in getrennten Gleichgewichtsreaktionen. Beispiele sind Schwefelsäure (H₂SO₄, zweiprotonig) und Phosphorsäure (H₃PO₄, dreiprotonig). Im Gegensatz dazu geben einprotonige Säuren wie Salzsäure (HCl) nur ein einziges Proton ab.
Warum läuft die Protolyse der Phosphorsäure in drei Schritten ab?
Mit jeder Protonenabgabe wird das verbleibende Ion negativ geladener. Das erschwert die Abgabe weiterer Protonen, weil die elektrostatische Anziehung zwischen Proton und negativ geladenem Rest zunimmt. Deshalb sinkt die Säurestärke mit jeder Stufe: H₃PO₄ ist stärker als H₂PO₄⁻, das wiederum stärker ist als HPO₄²⁻. Jede Stufe hat einen eigenen pKs-Wert.
Welche Ionen entstehen schrittweise aus Schwefelsäure (H₂SO₄)?
Bei der ersten Protolyse entsteht das Hydrogensulfat-Ion (HSO₄⁻): H₂SO₄ + H₂O → HSO₄⁻ + H₃O⁺. Dieser Schritt verläuft fast vollständig (H₂SO₄ ist eine starke Säure). Bei der zweiten Protolyse entsteht das Sulfat-Ion (SO₄²⁻): HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺. Dieser zweite Schritt ist ein Gleichgewicht, da HSO₄⁻ nur eine mittelstarke Säure ist.
Was ist der Unterschied zwischen Dihydrogenphosphat-Ion und Hydrogenphosphat-Ion?
Beide sind Zwischenstufen bei der Protolyse der Phosphorsäure. Das Dihydrogenphosphat-Ion (H₂PO₄⁻) entsteht nach der ersten Protonenabgabe und trägt noch zwei Wasserstoffatome. Das Hydrogenphosphat-Ion (HPO₄²⁻) entsteht nach der zweiten Protonenabgabe und trägt noch ein Wasserstoffatom. Beide Ionen können – je nach Kontext – sowohl als Säure als auch als Base reagieren, also als Ampholyte. Dies ist biologisch wichtig, z. B. im Phosphat-Puffersystem.
Welche mehrprotonigen Säuren sind im Alltag besonders wichtig?
Kohlensäure (H₂CO₃) ist in Mineralwasser und im Blut bedeutsam – als Puffersystem reguliert das Hydrogencarbonat/Kohlensäure-Gleichgewicht den Blut-pH. Phosphorsäure (H₃PO₄) kommt in Softdrinks vor und ist Grundlage des Phosphat-Puffers in Zellen. Schwefelsäure (H₂SO₄) ist eine der wichtigsten Industriechemikalien und findet sich auch im Bleiakkumulator.
Lernkarten – Mehrprotonige Säuren
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Was bedeutet „mehrprotonig" bei einer Säure?
Eine mehrprotonige Säure kann mehr als ein Proton abgeben. Die Abgabe erfolgt stufenweise in je einem eigenen Protolysegleichgewicht.
Nenne vier zweiprotonige Säuren und je ein Ionenpaar.
H₂SO₄ → HSO₄⁻ → SO₄²⁻
H₂CO₃ → HCO₃⁻ → CO₃²⁻
H₂S → HS⁻ → S²⁻
H₂SO₃ → HSO₃⁻ → SO₃²⁻
Welche drei Ionen entstehen bei der schrittweisen Protolyse von H₃PO₄?
1. Stufe: H₂PO₄⁻ (Dihydrogenphosphat-Ion)
2. Stufe: HPO₄²⁻ (Hydrogenphosphat-Ion)
3. Stufe: PO₄³⁻ (Phosphat-Ion)
Warum nimmt die Säurestärke bei jeder Protolyse-Stufe ab?
Mit jeder Protonenabgabe wird das Ion negativer geladen. Das Proton ist dann stärker gebunden – die Abgabe weiterer Protonen wird schwieriger. Daher ist H₂PO₄⁻ eine schwächere Säure als H₃PO₄.
Schreibe die zwei Protolyse-Schritte von H₂SO₄ mit Wasser. Welcher Schritt ist vollständig?
1. H₂SO₄ + H₂O → HSO₄⁻ + H₃O⁺ (vollständig, starke Säure)
2. HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺ (Gleichgewicht, mittlere Stärke)
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