Säure-Base-Reaktionen

Säure-Base-Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen eine Protenenübertragung von Säure zu Base stattfindet.

Wassermoleküle können Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Wenn zwei Wassermoleküle aufeinandertreffen entsteht eine Reaktion, bei der sich die Produkte 𝐻3𝑂+-Ion (Oxonium-Ion) und 𝑂𝐻−-Ionen (Hydroxyl-Ionen) durch die Dissoziation von Wasserstoffatomen bilden.

𝐻2𝑂+𝐻2𝑂⇌𝐻3𝑂++𝑂𝐻−

Das Gleichgewicht liegt in Richtung der Edukte, also in Richtung der Wassermoleküle. Die Konzentration des Wassers kann daher als konstant angenommen werden, da die Anzahl der Wassermoleküle, welche dissoziieren, verschwindend gering ist. Somit kann bei der Formel des Massenwirkungsgesetz der Nenner ebenfalls als konstant angenommen werden.

2𝐻2𝑂+𝐻2𝑂→𝐻3𝑂++𝑂𝐻−

𝐾=[𝐻3𝑂+×𝑂𝐻−][𝐻2𝑂]2

𝐾=[𝐻3𝑂+×𝑂𝐻−]

Im Folgenden die Herleitung für die Formel des Massenwirkungsgesetzes: Die Gleichgewichtskonstante K ist gleich der Konzentration von 𝐻3𝑂+×𝑂𝐻−. Diese Formel wird auch als Ionenprodukt des Wassers bezeichnet. Die Konzentration der H3O+ Ionen sowie den OH– im Wasser liegt bei 10-7 mol /L. Somit ist die Konzentration der beiden Ionen zusammen bei 10-14 mol/L. Da die Konzentration so niedrig ist wird die Formel im negativ dekadischen Logarithmus der Konzentration angegeben. Demnach entspricht eine 𝐻3𝑂+-Ionen-Konzentration von 10−7 dem pH-Wert 7 . Das gesamte Ionenprodukt lautet

𝑝𝐾=𝑝𝐻+𝑝𝑂𝐻=7+7=14

𝑝𝑂𝐻=−𝑙𝑜𝑔10[𝑂𝐻−]

𝑝𝐻=−𝑙𝑜𝑔10[𝐻3𝑂+]

Wenn Säuren in Wasser gelöst werden, entstehen verstärkt  𝐻3𝑂+-Ionen und die 𝑂𝐻−-Ionen nehmen ab. Der Grund hierfür ist, dass die Säure so viele Protonen mitbringt, dass die Wassermoleküle keine Protonen mehr abgeben müssen. Die Protonen der Säure werden vom Wasser aufgenommen und es entstehen 𝐻3𝑂+-Ionen. Somit wird der pH-Wert niedriger als 7 und die Lösung gilt als sauer. Wenn der Wert über 7 liegt geht die Lösung als basisch oder alkalisch.

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Brønsted war ein dänischer Physikochemiker, der sich mit der Theorie der Säuren und Basen befasste. Er verfasste eine der Definitionen für Säuren und Basen, die bis heute ihre Gültigkeit hat.

In seiner Definition sind Säuren Verbindungen, welche ein Proton abgeben. Man nennt sie daher auch Protonendonatoren.

Basen sind Verbindungen, die ein Proton aufnehmen, auch Protonenakzeptoren genannt.

Eine weitere Definition von Basen und Säuren wurde von Gilbert Newton Lewis aufgestellt. Er lebte zu einer ähnlichen Zeit wie Brønsted und war US-amerikanischer Physikochemiker. Er beschreibt Säuren als solche Stoffe, an denen sich ein Elektronenpaar anlagert und Basen als solche Stoffe die ein Elektronenpaar abgeben. Somit sind laut ihm Säuren Elektronenpaarakzeptoren und Basen Elektronenpaardonatoren.

Durch die Definition nach Brønsted gelten nicht nur Oxoniumionen (𝐻3𝑂+) als Säuren, sondern alle Stoffe die Protonen abgeben. Dasselbe gilt für Basen.

Die Stärke einer Säure oder Base, auch Aktivität oder Basizität genannt, ist abhängig von ihren Reaktionspartnern. Wenn eine Säure zerfällt, bezeichnet man dies als Dissoziation oder Protolyse. Wenn ein Stoff in einer wässrigen Lösung dissoziiert, wird das Proton vom Wasser aufgenommen und dient als Base. Dadurch entsteht ein konjugiertes bzw. korrespondierendes Säure-Base-Paar.

Wenn man Natriumhydroxid im Wasser, löst entsteht 𝑁𝑎𝑂𝐻−. Natriumhydroxid ist also eine Verbindung, die bereits 𝑂𝐻−-Ionen besitzt und diese lediglich an das Wasser abgibt. Wenn Natriumhydroxid in Wasser gelöst wird, spricht man von Natronlauge. Verbindungen, die sowohl als Basen als auch als Säuren reagieren können, werden Ampholyte genannt. Ein Beispiel hierfür wäre H2O, wie wir bereits bei der Autoprotolyse des Wassers besprochen haben. Man unterscheidet starke und schwache Säuren sowie Basen. Dies ist wichtig bei der Berechnung des pH-Wertes anhand von unterschiedlichen Formeln.  Bei der Formel für schwache Säuren und Basen bedienen wird uns der sogenannten 𝑝𝐾𝑠– und der 𝑝𝐾𝑏-Werte. Diese Werte spiegeln die Stärke der Säuren und Basen wider.

Die Säurestärke gibt an, inwieweit eine Säure in Lösung dissoziiert vorliegt. Starke Säuren sind quasi komplett dissoziiert, wohingegen schwache Säuren nicht so stark dissoziiert sind. Diese Stärke wird quantifiziert und definiert als Säurekonstante bzw. Basenkonstante. Die Berechnung der Säurestärke wird ebenfalls anhand des Massenwirkungsgesetz bewerkstelligt. Je kleiner der 𝑝𝐾𝑠– oder𝑝𝐾𝑏-Wert ist, desto stärker ist die Säure oder Base. Die Erklärung hierfür finden wir im Massenwirkungsgesetz. Dieses kann berechnet werden, indem man das Produkt der Produkte durch das Produkt der Edukte dividiert. Nimmt man von der errechneten Zahl den negativen dekadischen Logarithmus, erhält man den pK-Wert. Die Salzsäure hat einen pKs-Wert von -6. Der zugehörige Ks-Wert wäre also 106, denn -log(106) = -6. Überträgt man diese Zahl auf das Massenwirkungsgesetz, würde dies also bedeuten, dass pro 106 Produkten nur ein Edukt vorliegt. Fast alle Säuremoleküle liegen also dissoziiert vor, die Säure setzt sich stark um. Deshalb gilt Salzsäure als starke Säure. 

Der Richtwert bei der Beurteilung der Stärke ist hier ca. 4. Wenn der pK-Wert bei 4 oder höher liegt, ist die Rede von einer schwachen Säure oder schwachen Base. Die konjugierte Base zu einer starken Säure ist immer schwach, so wie die konjugierte Säure zu einer starken Base ebenfalls schwach ist. 

Wenn Salzsäure und Natriumhydroxid miteinander reagieren, kommt es zur Neutralisationsreaktion. Das bedeutet, es entsteht sowohl ein Salz als auch Wasser aus einer Base und Säure. Bei gleichen Konzentrationen von Salzsäure und Natriumhydroxid hätte die entstandene Lösung also einen pH-Wert von 7, wäre also neutral.

Mineralsäuren sind starke anorganische Protonendonatoren:

1. Salzsäure
2. Schwefelsäure
3. Salpetersäure

Die Summenformel für die Salzsäure ist HCl. Wenn HCl in Wasser gelöst wird, entsteht Salzsäure 𝐻𝐶𝑙×𝐻2𝑂. HCl löst sich extrem gut in Wasser und hat einen pH Wert von ca. 1,1 – eine sehr starke Säure. Der 𝑝𝐾𝑠-Wert liegt, wie wir schon gehört haben, bei -6. Salzsäure ist ein elementarer Bestandteil des Magensaftes und dient der Denaturierung von Proteinen, um sie verdaubar zu machen.

Schwefelsäure hat die Summenformel 𝐻2𝑆𝑂4. Der pH Wert liegt bei ca. 1 und der 𝑝𝐾𝑠-Wert bei -3. Die Salze und Ester von Schwefelsäure sind Sulfate. Das Sulfid ist ein anorganisches Anion vom Schwefel. Schwefelsäure ist neben der Salpetersäure ein großer Bestandteil des sauren Regens. Der saure Regen begünstigt die Löslichkeit von Metallionen, welche toxisch auf Pflanzen und auch auf Fische wirken.

Die Salpetersäure hat die Summenformel 𝐻𝑁𝑂3. Hergestellt werden kann die Salpetersäure mittels konzentrierter Schwefelsäure oder einer anderen starken Säure gepaart mit Nitraten. Der pH-Wert liegt bei ca. 1,1 und der 𝑝𝐾𝑠-Wert bei -1,3. Salpetersäure wird hauptsächlich in der Industrie für zum Beispiel Düngemittel verwendet.

Salze sind chemische Verbindungen, die aus positiv und negativ geladenen Ionen aufgebaut sind. Die Verbindung zwischen den Ionen ist dieionische Bindung. Salze dissoziieren in Wasser in ihre Bestandteile, also in die Ionen. Sie werden von Hydrathüllen umgeben, was als Hydratisierung bezeichnet wird. Die polaren Wassermoleküle lagern sich dabei entsprechend ihrer Ladung an die Ionen an.

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Nitride sind chemische Verbindungen des Stickstoffes und genau genommen keine Salze.

Die Kalksteinformel lautet 𝐶𝑎𝐶𝑂3,wobei der wissenschaftliche Name Calciumcarbonat ist.

Natriumchlorid, auch Kochsalz genannt, ist das Salz aus Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen. Wenn dieses Salz zerfällt, entsteht eine wässrige Lösung aus Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen, die sogenannte Kochsalzlösung.

Die Salze der Salpetersäure sind Nitrat 𝑁𝑂3 und Nitrit 𝑁𝑂2 . 𝑁𝑂3 ist das Salz und Ether von Salpetersäure und 𝑁𝑂2 ist das Salz der salpetrigen Säure 𝐻𝑁𝑂2. Nitrate haben dilatatorische Funktionen, können als Gefäße weitstellen, während Nitrite toxisch auf den Körper wirken.

Carbonate sind die Salze der Kohlensäure H2CO3. Sie sind das zweifach deprotonierte Salz der Kohlensäure. Da die Kohlensäure allerdings zwei H-Atome hat, gibt sie im ersten Schritt, das erste und anschließend erst das zweite ab. Ein weiteres Salz der Kohlensäure wäre somit das Hydrogencarbonat 𝐻𝐶𝑂3. Es wird auch Bikarbonat genannt und ist ein einfach deprotoniertes Salz der Kohlensäure. Bikarbonat dient als Bikarbonatpuffer im Puffersystem des Blutes und anderen Körperflüssigkeiten.

Das Salz der Phosphorsäure 𝐻3𝑃𝑂4 ist Phosphat 𝑃𝑂4. Es ist ein dreifach deprotoniertes Salz und dient der Aktivierung von Biomolekülen sowie der Energieübertragung bei biochemischen Reaktionen.

Als Puffer bezeichnet man ein Gemisch, dessen pH-Wert sich bei Zugabe von Basen oder Säuren weniger stark verändert. In der Regel besteht ein Puffer aus einer schwachen Säure oder Base mit ihrer konjugierten Base bzw. Säure. Die Puffersubstanz fängt die entstehenden H3O+ bzw. OH—Ionen ab und hält den pH-Wert dadurch nahezu konstant.  Fügt man jedoch große Mengen eine starken Säure oder Base hinzu, ist der Puffer irgendwann aufgebraucht und der pH-Wert verändert sich. Welche Mengen an starken Säuren bzw. Basen abgepuffert werden können, gibt die Pufferkapazität an.

Auch im menschlichen Körper sind Puffer von Bedeutung. Unser Blut ist nämlich sehr empfindlich gegenüber pH-Schwankungen. Im gesunden Zustand hat es mit einem pH von 7,4 leicht alkalisch. Schon bei pH-Werten unter 7,35 (Azidose) oder über 7,45 (Alkalose) treten erste Symptome auf. Um pH-Schwankungen zu verhindern, befinden sich im Blut mehrere Puffersysteme: das Kohlensäure-Bicarbonat-System, der Hämoglobinpuffer, der Proteinatpuffer und der Phosphatpuffer. Das Kohlensäure-Bicarbonat-System und der Phosphatpuffer sind offene Puffersysteme. Das heißt, die Konzentration der Puffersubstanz kann verändert werden. So kann etwa Kohlenstoffdioxid abgeatmet werden, während Bicarbont und Phosphat über den Harn ausgeschieden werden können. Der Proteinatpuffer hingegen ist ein Beispiel für ein geschlossenes System, da Proteine im Blut bei gesunden Menschen nicht ausgeschieden werden. 

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung stellt den Zusammenhang zwischen pH-Wert, pK-Wert und dem Mengenverhältnis zwischen Säure und Base dar. Sie kann für leichte bis mittelstarke Säuren und Basen angewandt werden und findet vor allem bei der Berechnung von Puffersystemen Anwendung. 

Die Gleichung sieht folgendermaßen aus:

HA steht hierbei für die noch nicht dissoziierte Säure, während A– das Säureanion, also die dissoziierte Säure bzw. die konjugierte Base darstellt.