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.
Das Wichtigste in Kürze
- 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.
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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.
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.
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.
\(\ce{D2O}\) 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.
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.
Quiz
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.
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