Hauptgruppenelemente

Wasser als Ampholyt und Redoxpartner, schweres Wasser

Wasser reagiert mit sich selbst als Säure und Base, lässt sich oxidieren und reduzieren, und sein schweres Isotopolog \(\ce{D2O}\) unterscheidet sich in messbaren Eigenschaften.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Wasser ist ein Ampholyt und Redoxpartner: Es überträgt Protonen an sich selbst und kann oxidiert oder reduziert werden.
  • Autoprotolyse zeigen Wasser, Methanol, flüssiges \(\ce{H2S}\) und wasserfreie \(\ce{H2SO4}\). Diese enthält \(\ce{H3SO4+}\), \(\ce{HSO4-}\) und überwiegend undissoziierte Moleküle, 98%ige Säure leitet daher Strom.
  • Natrium reduziert Wasser zu \(\ce{H2}\), Fluor oxidiert es zu \(\ce{O2}\). Aus \(\ce{H2}\) und \(\ce{O2}\) entsteht Wasser katalytisch, etwa an Platin.
  • Der Massenanteil Wasserstoff in Wasser beträgt etwa 11 %.
  • Schweres Wasser \(\ce{D2O}\) ist nicht radioaktiv, hat höhere Dichte und höheren Siedepunkt, aber ein kleineres Ionenprodukt als \(\ce{H2O}\).
  • Vollentsalztes Wasser liefern ein stark saurer Kationenaustauscher und danach ein stark basischer Anionenaustauscher. Geringe Leitfähigkeit zeigt die Reinheit an.

Dieses Kapitel ist für Supporter

Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️

Zugang freischalten

Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse

Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.

Zum Konto

Worum es geht

Wasser ist nicht nur Lösungsmittel, sondern selbst Reaktionspartner: Es überträgt Protonen und Elektronen. Diese Seite ordnet Autoprotolyse, Redoxverhalten und schweres Wasser ein. In der Pharmazie begegnen sie dir beim pH-Wert, bei der Arbeit mit Alkalimetallen, im NMR-Spektrum und bei der Herstellung von Wasser für pharmazeutische Zwecke.

Autoprotolyse und Ampholytcharakter

Bei der Autoprotolyse gibt ein Molekül ein Proton an ein gleichartiges zweites ab. Das ist kein Sonderfall des Wassers. Auch Methanol, flüssiger Schwefelwasserstoff und wasserfreie Schwefelsäure zeigen sie, denn jedes dieser Moleküle kann ein Proton abgeben und eines aufnehmen.

Vier Gleichgewichte: zwei Wasser zu Oxonium und Hydroxid, zwei Methanol zu Methyloxonium und Methanolat, zwei H2S zu H3S plus und HS minus, zwei Schwefelsäure zu H3SO4 plus und HSO4 minus.

Autoprotolyse folgt immer demselben Muster: Ein Molekül gibt ein Proton an ein zweites ab.

Bei der Schwefelsäure entstehen so zwei Ionensorten:

\[\ce{2 H2SO4 <=> H3SO4+ + HSO4-}\]

Das Gleichgewicht liegt weit links. Wasserfreie Schwefelsäure besteht also überwiegend aus undissoziierten Molekülen. Die wenigen Ionen genügen aber, damit auch konzentrierte, 98%ige Schwefelsäure den elektrischen Strom leitet.

🎯 Examensrelevant: Autoprotolyse der Schwefelsäure

Autoprotolyse wird im Examen gerne gefragt: Sie tritt in Wasser, Methanol, flüssigem \(\ce{H2S}\) und wasserfreier \(\ce{H2SO4}\) auf. Bei der Schwefelsäure solltest du alle drei Teilchensorten nennen können: \(\ce{H3SO4+}\), \(\ce{HSO4-}\) und undissoziierte \(\ce{H2SO4}\)-Moleküle.

Wasser ist damit ein Ampholyt. Gegenüber Ammoniak wirkt es als Brønsted-Säure, gegenüber Chlorwasserstoff als Brønsted-Base. Weil es zwei abspaltbare Protonen trägt, leiten sich zwei Salzreihen ab: Hydroxide mit \(\ce{OH-}\) und Oxide mit \(\ce{O^2-}\). Ganz analog bildet \(\ce{H2S}\) Hydrogensulfide und Sulfide.

Redoxverhalten und Zusammensetzung

Im Wasser hat Wasserstoff die Oxidationszahl +I und Sauerstoff −II. Wasser kann daher in beide Richtungen reagieren. Starke Reduktionsmittel wie Natrium reduzieren den Wasserstoff auf 0:

\[\ce{2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 ^}\]

Starke Oxidationsmittel wie Fluor oxidieren den Sauerstoff auf 0:

\[\ce{2 F2 + 2 H2O -> 4 HF + O2}\]

Darin gleicht Wasser verwandten Wasserstoffverbindungen. Auch Wasserstoffperoxid lässt sich reduzieren, und Schwefelwasserstoff ist wie Wasser oxidierbar.

Umgekehrt entsteht Wasser aus den Elementen. Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, das Knallgas, reagiert bei Raumtemperatur kaum. Ein Katalysator wie Platin startet die Umsetzung:

\[\ce{2 H2 + O2 ->[Pt] 2 H2O}\]

Aus der Formel folgt der Massenanteil des Wasserstoffs: \(w(\ce{H}) = \frac{2 \cdot 1{,}008}{18{,}02} \approx 0{,}112\), also etwa 11 %. Tautomerie zeigt Wasser nicht. Es gibt kein zweites Konstitutionsisomer, in das eine Protonenwanderung führen könnte.

Schweres Wasser

Ersetzt man beide Wasserstoffatome durch Deuterium, erhält man schweres Wasser.

📖 Definition: Schweres Wasser

\(\ce{D2O}\) enthält pro Molekül zwei Deuteriumatome. Deuterium ist ein stabiles Isotop, daher ist schweres Wasser nicht radioaktiv und enthält kein Tritium.

Die größere Masse verändert die physikalischen Eigenschaften. Die O–D-Bindung ist stärker als die O–H-Bindung und wird seltener gespalten.

Eigenschaft \(\ce{H2O}\) \(\ce{D2O}\)
Dichte (25 °C) 1,00 g/cm³ höher, ca. 1,11 g/cm³
Siedepunkt 100,0 °C höher, ca. 101,4 °C
Ionenprodukt (25 °C) \(1{,}0 \cdot 10^{-14}\) mol²/L² kleiner, ca. \(1 \cdot 10^{-15}\) mol²/L²

\(\ce{H2O}\) und \(\ce{D2O}\) sind unbegrenzt mischbar und bilden eine Phase. Durch Isotopenaustausch stellt sich ein Gleichgewicht ein:

\[\ce{H2O + D2O <=> 2 HDO}\]

Angereichert wird \(\ce{D2O}\) durch stufenweise Elektrolyse. Leichter Wasserstoff entweicht bevorzugt, Deuterium bleibt im Restwasser zurück.

In der NMR-Spektroskopie erkennt man mit \(\ce{D2O}\) austauschbare Protonen. OH- und NH-Protonen tauschen gegen Deuterium aus, und ihr Signal verschwindet. Beim Ethanol bleiben die \(\ce{CH3}\)- und \(\ce{CH2}\)-Signale erhalten.

Zwei übereinanderliegende 1H-NMR-Spektren von Ethanol; oben mit Triplett, Quartett und OH-Singulett, unten ohne OH-Singulett.

D2O-Austausch: Das OH-Signal des Ethanols verschwindet, CH3- und CH2-Signale bleiben.

In Schwerwasserreaktoren dient \(\ce{D2O}\) als Kühlmittel.

Leitfähigkeit und Vollentsalzung

Chemisch reines Wasser leitet den Strom nur sehr schwach, weil die Autoprotolyse kaum Ionen liefert. Schon geringe Salzspuren erhöhen die Leitfähigkeit deutlich. Sie dient daher als einfaches Reinheitskriterium.

Vollentsalztes Wasser entsteht durch zwei Ionenaustauscher nacheinander. Ein stark saurer Kationenaustauscher tauscht Kationen gegen \(\ce{H+}\), ein stark basischer Anionenaustauscher danach Anionen gegen \(\ce{OH-}\). Beide Ionen vereinigen sich zu Wasser.

Schema zweier Säulen; links tritt Trinkwasser mit Calcium, Natrium, Chlorid und Hydrogencarbonat ein, nach der ersten Säule saures Wasser, nach der zweiten vollentsalztes Wasser.

Vollentsalzung: Kationen gegen H+, Anionen gegen OH−, beide vereinigen sich zu Wasser.

Quiz

Teste dich mit 4 Karten
richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Schweres Wasser ist schwach radioaktiv, weil es Tritium enthält.

\(\ce{D2O}\) enthält zwei Atome des stabilen Isotops Deuterium. Es ist nicht radioaktiv und enthält kein Tritium.

Aussage 2

Bei 25 °C ist das Ionenprodukt von \(\ce{D2O}\) größer als das von \(\ce{H2O}\).

Es ist kleiner, ca. \(1 \cdot 10^{-15}\) mol²/L² gegenüber \(1{,}0 \cdot 10^{-14}\) mol²/L², denn die O–D-Bindung ist stärker.

Aussage 3

Wasserfreie Schwefelsäure enthält neben \(\ce{H3SO4+}\)- und \(\ce{HSO4-}\)-Ionen auch undissoziierte \(\ce{H2SO4}\)-Moleküle.

Das Autoprotolysegleichgewicht liegt weit links, daher überwiegen die undissoziierten Moleküle.

Aussage 4

Wasserstoff macht etwa 11 % der Masse von Wasser aus.

\(2 \cdot 1{,}008\) g/mol geteilt durch \(18{,}02\) g/mol ergibt rund 0,112.

Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️

Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.

Zurück nach oben