Warum H3O+ Ionen?
Hi, könnte mir einer erklären woher die H3O+ Ionen in der Abbildung und der Reaktionsgleichung herkommen? Ich habe mir bereits YouTube Videos über den Bleiakkumulator angeschaut. Dort waren es immer H plus Ionen. Deswegen verstehe ich nicht woher die H3O plus Ionen kommen. Dankeschön im Voraus.
6 Antworten
Moin,
das hat mit der Formelsprache der Chemie zu tun.
Ich erkläre dir das gerne von Anfang an. Da ich nicht genau weiß, wie viel du von Chemie verstehst, beschreibe ich dir auch Einfaches. Dadurch wird das ein etwas längerer Text...
Ein Blei-Akkumulator enthält zwei Elektroden: eine Bleiplatte (Pb) und eine Elektrode aus dem in Wasser schwerlöslichen Bleidioxid (PbO2). Diese Elektroden befinden sich in zwei Kammern, die durch ein Diaphragma (eine halbdurchlässige Membran) getrennt sind. In den Kammern befindet sich jeweils eine wässrige Schwefelsäurelösung.
Nun zum H+ / H3O+-Problem:
Schwefelsäure (H2SO4) ist eine sogenannte Brønsted-Lowry-Säure, das heißt, dass sie Protonen (H+) abspalten kann. Da sie zweiprotonig ist (sie hat zwei Wasserstoffatome gebunden, wie die Formel zeigt), kann sie auch zwei Protonen abspalten:
1. Protolyseschritt:
H2SO4 → H+ + HSO4–
2. Protolyseschritt:
HSO4– → H+ + SO42–
Das kannst du auch folgendermaßen zusammenfassen:
H2SO4 → 2 H+ + SO42–
Nun ist es aber so, dass in wässrigen Lösungen die Protonen (die H+-Ionen) nicht allein für sich existieren können. Sie müssen von Elektronen stabilisiert werden.
In der Realität übernehmen das viele Wassermoleküle, bei denen die Sauerstoffatome über freie, nicht-bindende Elektronenpaare verfügen, die zur Verfügung gestellt werden können.
Aber es ist nicht leicht, diese realen Bedingungen in der Formelsprache von chemischen Prozessen auszudrücken. Darum hat man sich darauf verständigt, so zu tun, als würde nur ein Wassermolekül für die Stabilisierung sorgen. Und das drückt man dann so aus:
H+ + H2O → H3O+
Daher kommen also die Oxoniumionen (das H3O+). Wenn du das bei den Protolyseschritten der Säure berücksichtigst, ergibt sich (zusammengefasst) folgendes:
H2SO4 + 2 H2O → 2 H3O+ + SO42–
Die Schwefelsäure (H2SO4) gibt ihre zwei gebundenen Wasserstoffatome in Form von Protonen (H+) ab und überträgt sie auf zwei Wassermoleküle (H2O), die dadurch zu Oxoniumionen (H3O+) werden. Außerdem entsteht dabei ein Sulfat-Anion (SO42–).
Soweit zu deiner ursprünglichen Frage, warum hier mit Oxoniumionen (H3O+) gearbeitet wird...
Nun zu deiner Nachfrage auf die anderen Antworten, was an der Anode (dem Pluspol) passiert und warum dort die Oxoniumionen auftauchen?! Auch hier fange ich mit der Erklärung von ganz vorne an.
Ein Akkumulator ist eine Stromquelle. Ein elektrischer Stromfluss kommt immer dann zustande, wenn es bewegliche Ladungsträger gibt. Die beweglichen Ladungsträger können Elektronen, aber auch Ionen sein.
Immer wenn es in einem chemischen Prozess zu Übergabe von Elektronen kommt, handelt es sich um einen Redox-Prozess. Das bedeutet, dass ein Reaktionsteilnehmer oxidiert wird (bei ihm erhöht sich die Oxidationsstufe, indem er Elektronen abgibt), während ein anderer Reaktionsteilnehmer reduziert wird (bei ihm verringert sich die Oxidationsstufe, indem er Elektronen aufnimmt).
In einem Redox-Prozess kannst du also immer ein Redoxsystem aufstellen, das aus einer Oxidations- sowie einer Reduktionsteilgleichung und einer zusammenfassenden Redoxgleichung besteht.
An den Elektroden des Blei-Akkumulators spielen sich nun folgende Prozesse ab:
Oxidationsteilgleichung: Pb → Pb2+ + 2 e–
Das elementare Blei (Pb) hat die Oxidationsstufe 0. Es geht über in Blei-Kationen (Pb2+) mit der Oxidationsstufe +II, wobei zwei Elektronen abgegeben werden. Da die Blei-Atome zwei Elektronen abgeben und zu zweifach positiv geladenen Blei-Kationen werden, sind sie es, die oxidiert werden (Oxidation = Elektronenabgabe). Dementsprechend erhöht sich bei ihnen die Oxidationszahl von 0 auf +II. Soweit, so klar, hoffe ich.
In deinem Buch werden noch die Sulfationen in das Reaktionsschema mit einbezogen, darum sieht das dann so aus:
Oxidationsteilgleichung: Pb + SO42– → PbSO4 + 2 e–
Kommen wir nun zur Kathode (dem Minuspol).
Hier hast du zunächst einmal folgenden Übergang
PbO2 + 2 e– → PbSO4
Links hat das Bleiteilchen die Oxidationsstufe +IV, rechts +II. Das bedeutet, dass es hier um eine Reduktion geht, weil Elektronen aufgenommen werden und sich die Oxidationszahl verringert (von +IV auf +II).
Aber bestimmt hast du mal gelernt, dass bei einem Reaktionsschema nicht nur die Teilchenbilanz, sondern auch die Ladungsbilanz stimmen muss.
Das bedeutet, dass du dafür sorgen musst, dass von allen Elementsymbolen auf beiden Seiten des Reaktionspfeils jeweils gleich viele vorhanden sein müssen. Das bedeutet aber auch, dass die Summe aller Ladungen auf beiden Seiten des Reaktionspfeils identisch sein muss!
In dem oben stehenden Schema stimmt weder die Teilchen- noch die Ladungsbilanz... Kümmern wir uns zunächst um die Teilchenbilanz:
Das Sulfat-Anion rechts fügst du links einfach hinzu:
PbO2 + 2 e– + SO42– → PbSO4
Doch was machen wir jetzt mit den Sauerstoffen aus dem Bleidioxid (PbO2)? Ha, da fällt uns ein, dass wir ja in einer schwefelsauren Lösung arbeiten und da gibt's doch jede Menge Oxoniumionen (s.o.). Wenn wir nun links Oxoniumionen hinzufügen, können diese ihre aufgenommenen Protonen auf die Oxid-Anionen übertragen und daraus Wasser machen. Für zwei Oxid-Anionen brauchst du vier Oxoniumionen. Das ergibt:
PbO2 + 2 e– + SO42– + 4 H3O+ → PbSO4 + 6 H2O
Und siehe da, mit dem Ausgleichen der Teilchenbilanz stimmt plötzlich auch die Ladungsbilanz.
Links hast du zwei Minusladungen durch die Elektronen plus zwei Minusladungen durch das Sulfat-Anion. Das macht zusammen vier Minusladungen. Aber du hast links auch vier Plusladungen durch die Oxoniumionen. Vier Minusladungen und vier Plusladungen ergeben zusammen die Gesamtladung von 0 (Null). Und rechts hast du auch keine Ladungsträger (Bleisulfat und Wasser haben keine Ladungen an ihren Formeln).
Fazit:
Du brauchst an der Kathode (dem Minuspol) die Oxoniumionen zum Ausgleichen der Teilchen- und der Ladungsbilanz des Reaktionsschemas!
Das vollständige Rodoxsystem sieht dann so aus:
Oxidationsteilgleichung: Pb + SO42– → PbSO4 + 2 e–
Reduktionsteilgleichung: PbO2 + 2 e– + SO42– + 4 H3O+ → PbSO4 + 6 H2O
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Redoxgleichung: Pb + + PbO2 + 2 SO42– + 4 H3O+ → 2 PbSO4 + 6 H2O
Und siehe da, genau das steht auch in deinem Buch...
Alles klar, jetzt?
LG von der Waterkant
Freie Protonen (also H+) gibt es nicht. Die hängen sich immer an was dran. Gibt also eine Säure ein H+ ab, muss das irgendwo hin. Im Normalfall ist das dann Wasser. Und H2O + H+ ergibt nun mal H3O+.
Erstmal danke ich dir. Ich hätte noch eine Frage.Warum entsteht am Pluspol überhaupt H3O+?
Hi, könnte mir einer erklären woher die H3O+ Ionen in der Abbildung und der Reaktionsgleichung herkommen?
Nun ja, die Bleiakkumulatoren funktionieren halt nur ordentlich, wenn man sie mit ausreichend Schwefelsäure befüllt. Und die spaltet halt Protonen H⁺ ab, die mit dem Wasser zusammen H3O⁺ machen.
Genau diese Antwort habe ich gebraucht! Vielen lieben Dank 😊
In wässrigen Lösungen gibt es keine freien Protonen (H+). Diese lagern sich immer an ein WasserMolekül (H2O) an. Dadurch wird es zum Hydronium oder Hydroxonium-Ion (H3O+).
Von den freien Protonen wird zur Vereinfachung bei Anfängern gesprochen, denen noch die Theorie dazu fehlt, bzw. zur Vereinfachung! Es ist manches auch übersichtlicher ohne HydroxoniumIonen!
Formal könnte man sagen, dass negative HydroxidIonen (OH-) angezogen und dann oxidiert werden.
Ox: 4 OH- --> 4 e- + O2 (g) + 2 H2O (l)
Man könnte es aber auch mit Wasser oder HydroxoniumIonen formulieren!
Ox: 6 H2O --> 4 e- + O2 + 4 H3O+
Das hängt vom pH-wert ab, was man nimmt
H+ Ionen oder H3O+ Ionen sind synonym (das Gleiche). Es wird lediglich bei H3O+ stärker betont, dass es sich um eine wässrige Lösung handelt, da in Wasser keine H+ Ionen ungebunden wie z.B. im Vakuum vorkommen können.
Erstmal danke ich dir. Ich hätte noch eine Frage.Warum entsteht am Pluspol überhaup H3O+?