Is a polar bond a prerequisite for an acid? Analysis of a widely accepted explanation

Abstract

Die Erklärung der Acidität eines Moleküls HA durch die Polarität einer Element‐Wasserstoff‐Bindung („Polaritätskonzept“) ist nicht tragfähig. Die Analyse der Protolyse verschiedener Säuren HA mit der Base H2O in einem thermodynamischen Kreisprozess zeigt drei wesentliche Beiträge, die für Aciditätsunterschiede verantwortlich sind: Die freie Standardbindungsenthalpie, ΔBG0(H−A), die freie Standardhydratationsenthalpie der korrespondierenden Base A−, ΔhydG(A−), und die Ionisierungsenergie von A−, IE(A−). In vielen Fällen steigt der Betrag von ΔBG0(H−A), d.h. die Bindungsstärke der Element‐Wasserstoff‐Bindung, mit deren Polarität. Das steht dem Polaritätskonzept entgegen. Je größer hingegen IE(A−), desto stabiler ist A− und umso acider ist HA. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass IE(A−) mit der Möglichkeit zur Delokalisierung der negativen Ladung zunimmt. Eine Analyse der Orbitale von CH3−, NH2−, OH− und F− zeigt, dass die Delokalisierung der Valenzelektronen und damit auch der negativen Ladung in dieser Reihe zunimmt. Dieser Effekt, und nicht die Polarität der H−A‐Bindung, bedingt den Anstieg der Acidität in der Reihe CH4−NH3−H2O−HF. Die Delokalisierung der negativen Ladung lässt sich mit dem Kugelwolkenmodell im Chemieunterricht der Sekundarstufe 1 anschaulich darstellen. Daher wird ein „Delokalisierungskonzept“ statt des „Polaritätskonzepts“ zur Vorhersage und zur Erklärung unterschiedlicher Aciditäten vorgeschlagen.

„Protons as the main drivers of a chemical reaction?” – educational reconstruction of the Brønsted‐Lowry acid‐base concept for upper secondary school

“…Es lassen sich lediglich Tendenzen beschreiben, welche Teilchen eher als Säuren und welche eher als Basen reagieren. Um dies zu verdeutlichen, sollten die pK a /pK b ‐Tabelle, Becherglasmodelle [12] und das auf aktuellen fachdidaktischen Empfehlungen beruhende „Delokalisierungskonzept“ [20] eingesetzt werden. Zur Erzeugung eines kognitiven Konflikts können hierzu insbesondere die Gleichgewichtskonstanten von Teilchen herangezogen werden, die eine Vielzahl an Wasserstoffatomen enthalten und dennoch nur eine sehr geringe Tendenz haben, in einer Reaktion mit Wasser als Säuren zu reagieren.…”

“…Zusammengefasst birgt die Erarbeitung der Säure‐Base‐Reaktionen unter dieser Fokussetzung zwar Herausforderungen – die Lernenden müssen über ein fundiertes Grundwissen verfügen und sich auf den EPF einlassen – aber im Sinne eines nachhaltigen und anschlussfähigen Lernens überwiegen hier die Vorteile. Die dargestellten Betrachtungen sollten demnach Lehrenden einen möglichst widerspruchsfreien Zugang zu Säure‐Base‐Reaktionen präsentieren, der auf fachdidaktisch fundierten Überlegungen basiert und mit aktuellen Unterrichtskonzepten [20] kompatibel ist. Eine Erprobung der hier aufgeführten Vorschläge hat bereits in Teilen stattgefunden, eine konkrete und umfassende Evaluierung ist jedoch noch ausständig.…”