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Säuren

Ursprünlich wurden chemische Stoffe, die sauer schmeckten als Säuren bezeichnet. Man erkannte, dass viele dieser Säuren ähnliche Eigenschaften haben. Z.B. färben sie den Saft, den man aus Rotkohl gewinnen kann, rot. Bekannte Säuren sind z.B.:

Salzsäure HCl
Schwefelsäure H2SO4
Salpetersäure HNO3
Essigsäure CH3COOH
Zitronensäure

Man entdeckte, dass viele Säuren Sauerstoff enthalten,woher dieser auch seinen Namen hat. Doch es gibt auch viele Säuren, die keinen Sauerstoff enthalten, wie z.B. die Salzsäure. Allerdings stellte man fest, dass alle Säuren Wasserstoff enthalten und in Wasser Lösungen bilden, die den elektrischen Strom leiten, wogegen reine Säuren nicht den elektrischen Strom leiten. Daraus folgt, dass Säuren in Wasser Ionen bilden. Weiter stellte man fest, dass dabei immer Wasserstoffionen entstehen.



Leifähigkeitstest




Welche Beobachtung machst du?

Was schließt du daraus?



So definierte der Chemiker Swante Arrhenius 1887 Säuren als Verbindungen, die in Wasser Wasserstoffionen bilden. Erstellte sich vor, dass ein Säuremolekül in Wasser in ein Wasserstoffion und ein Säurerestmolekül zerfällt.

Säuremolekül --> Wasserstoffion + Säurerestmolekül

z.B. HCl --> H+ + Cl-

Dissoziation von Chlorwasserstoff (Salzsäuregas) in Wasser

Säuredefinition nach Arrhenius:

Säuren sind Stoffe, die in Wasser Wasserstoffionen bilden.

Nun besteht ein Wasserstoffatom nur aus einem Proton im Kern und einem Elektron, dass sich darum herumbewegt. Ein Wasserstoffion bildet sich, indem es sein Elektron abgibt. Dann bleibt nur ein Proton über. Ein Proton ist jedoch viel kleiner als das ursprüngliche Wasserstoffatom (im Verhältnis etwa wie eine Erbse zum Kölner Dom). Ein solch kleines Teilchen, da zudem positiv geladen ist, kann sich nicht im Wasser frei bewegen. Vielmehr bindet es sich sofort an ein Wassermolekül, wobei H3O+-Teilchen entstehen, so genannte Oxoniumionen.

H+ + H2O --> H3O+

In leichter Abwandlung der Arrheniusdefinition werden wir jetzt Säuren so definieren:

Säuredefinition

Säuren sind Stoffe, die in Wasser Oxoniumionen (H3O+) bilden.

Basen

Auf der anderen Seite gibt es Stoffe, die sich ähnlich wie Seifenlauge verhalten. Sie fühlen sich glitschig an und färben den Saft vom Rotkohl blau. Man nannte solche Stoffe Laugen. Bekannte Laugen sind:

Natronlauge NaOH
Kalilauge KOH
Calciumlauge (Kalkwasser) Ca(OH)2
Ammoniakwasser NH4OH

Schaut man sich die Formeln an, so bemerkt man, dass all diese Verbindungen die Kombination OH enthalten. Auch die oben genannten Laugen leiten in wässriger Lösung den elektrischen Strom, bilden also auch Ionen. Tatsächlich kommen in den wässrigen Lösungen dieser Laugen OH--Ionen vor, so genannte Hydroxidionen.

Aber wieso eigentlich "Laugen"? Dieser Begriff wurde ursprünglich sehr allgemein verwendet, so bezeichnete man Salzlösugen auch als Salzlaugen und auch die Seifenlauge ist in dem Sinn, wie oben angedeutet etwas anderes. Deshalb nannte man nun diese Stoffe, die in Wasser Hydroxidionen (OH-) bilden Basen.

Basendefinition

Basen sind Stoffe, die in Wasser Hydroxidionen (OH-) bilden.

Säure- und Basendefinition nach Brönsted und Lowry

Der dänische Physikochemiker Johannes Nicolaus Brønsted und der englische Chemiker Thomas Lowry erweiterten um etwa 1923 den Säure-Basebegriff. Sie erkannten, dass auch Stoffe basenartig reagieren können, wenn sie keine Hydroxidionen bilden. Vielmehr reicht es, wenn sie Protonen aufnehmen können.

So definierte man jetzt Säuren als Protonendonatoren (von lateinisch donare = schenken), also Protonenspender. Und Bassen als Protonenakzeptoren (von lateinisch accipere = annehmen) also Protonenempfänger)

Säuren sind Protonendonatoren (Protonenspender)

Basen sind Protonenakzeptoren (Protonenempfänger)

Betrachten wir daraufhin nochmals die Reaktion von Chlorwasserstoff mit Wasser:

HCl + H2O --> H3O+ + Cl-

Chlorwasserstoff gibt dabei sein Proton an das Wassermolekül ab. Es hat damit die Funktion einer Säure.

Das Wassermolekül nimmt dabei das Proton auf. Es hat damit die Funktion einer Base.

Bislang, nach der alten Definition, hätten wir Wasser nicht als Base aufgefasst.

Theoretisch könnte die Reaktion auch umgekehrt laufen, dass nämlich das Oxoniumion H3O+ sein Proton wieder an ein Chloridion abgibt und so wieder Chlorwasserstoff entstehen würde. In dem Fall würde das Oxoniumion ein Proton an das Chloridion abgeben. Es wäre somit eine Säure und das Chloridion eine Base, da es ja ein Proton aufnimmt. Aus einer Base (H2O) entsteht also eine Säure (H3O+). Man nennt eine solche Säure konjugiert zu der Base, aus der sie hervorgegangen ist.

Das Oxoniumion ist die konjugierte Säure zum Wassermolekül.

Umgekehrt kann aus dem Chloridion durch Aufnahme eines Protons wieder Chlorwasserstoff entstehen, es hat damit die Funktion einer Base. Somit ist das Chloridion die konjugierte Base zu der Säure Chlorwasserstoff.

Ordne die Begriffe zu

+
-->
+


HCl
+
H2O
-->
Cl-
+
H3O+


konjugierte Base
Säure
konjugierte Säure
Base

Typische Reaktionen von Säuren

Wenn wir an Säuren denken, fällt uns sofort die Eigenschaft 'ätzend' ein. Was bedeutet das eigentlich? Z.B. greifen viele Säuren Metalle an, wobei sich die Metalle auflösen. Schauen wir uns das in einem kleinen Modellversuch an.



Welche Beobachtungen machst du?


Was schließt du daraus?


Welche Fragen ergeben sich aus diesem Versuch?



Da Säuren Wasserstoff enthalten, liegt die Vermutung nahe, dass es sich bei dem Gas um Wasserstoff handeln könnte.


Nenne eine Probe, mit der man Wasserstoff nachweisen kann:

Führen wir also diesen Versuch durch:

Nehmen wir an, du hast bei dem Versuch deinen Daumen auf das Reagenzglas gehalten, damit das Gas nicht entweichen kann.

Nun wirst du die Flamme eines Feuerzeugs an die Öffnung des Reagenzglases führen, nachdem du kurz vorher den Daumen fortgenommen hast.

Schau genau hin. Wenn es zu schnell geht, wiederhole den Versuch mehrmals.



Welche Beobachtungen machst du?


Was schließt du daraus?


Bei der Reaktion von Salzsäure mit Zink entsteht also Wasserstoff. Der Wasserstoff stammt vermutlich von dem Wasserstoff, den die Säure geliefert hat. Der jedoch steckt in den Oxoniumionen (H3O+). Diese geben also das zuvor aufgenommene Wasserstoffion wieder ab, woraus dann der freie Wasserstoff entsteht.

Formulieren wir ein vorläufiges Reaktionsschema:

(H3O+) --> H + H2O

Jetzt haben wir zwar auf der rechten Seite des Reaktionspfeils ein Wasserstoffatom stehen, doch die positive Ladung ist verschwunden. Das kann so nicht sein. In einem Reaktionsschema müssen die Ladungen auf beiden Seiten des Reaktionspfeils ausgeglichen sein.

Irgendwie müssen aus den Wasserstoffionen wieder Wasserstoffatome werden. Was unterscheidet denn ein Wasserstoffatom von Wasserstoffion?

Geben dem wir dem Wasserstoffion also ein Elektron.

H3O+ + e- --> H + H2O

Nun ist die Welt, was die Ladungen betrifft, in Ordnung. Jetz erhebt sich nur die Frage, woher das Wasserstoffion dieses Elektron bekommt. Da kommt nun das Zink ins Spiel. Zinkatome geben bereitwillig Elektronen an andere Atome ab, die diese Elektronen "lieber mögen", d.h. fester binden. Und offenbar binden die Wasserstoffionen die Elektronen fester als die Zinkatome. Jedes Zinkatom kann dabei 2 Elektronen abgeben, die anderen hält es selbst fest.

Zn --> Zn2+ + 2 e-

Somit kann ein Zinkatom 2 Wasserstoffionen versorgen. Und da ein Zinkatom 2 Elektronen abgibt, ist das entstehende Zinkion zweifach positiv geladen. Allerdings besteht Wasserstoff, so wie er als Gas vorkommt, aus Molekülen mit jeweils 2 Atomen.Also brauchen wir jeweils 2 oxoniumionen, die die 2 Wasserstoffatome für ein Molekül liefern. Ändern wir das Schema so, indem wir alles verdoppeln:

2 H3O+ + 2 e- --> H2 + 2H2O

Wir haben die Vorgänge hier getrennt, in zwei Teilreaktionen, beschrieben. Auf der einen Seite die Oxoniumionen, die Elektronen aufnehmen und zu Wasserstoff und Wasser reagieren. Auf der anderen Seite die Zinkatome, die jeweils zwei Elektronen abgeben. Das ist durchaus üblich und praktisch, eine chemische Reaktion in Teilreaktionen zu zerlegen. Man kann auch alles zusammenfassen, dann sieht es so aus:

2 H3O+ + Zn --> H2 + 2H2O + Zn2+

Nur wird hierbei nicht so deutlich, woher die Elektronen für den Wasserstoff kommen.

Geben eigentlich alle Metalle so "gern" Elektronen an Oxonoíumionen ab?

Um die Frage zu beantworten, lassen wir doch mal die Salzsäure mit verschiedenen Metallen reagieren.

Wirkung von Salzsäure auf verschiedene Metalle

Welche Beobachtungen machst du?



Wie wir sehen, ist die Wirkung von Salzsäure auf unterschiedliche Metalle recht unterschiedlich. Manche Metalle reagieren
mit Salzsäure. Andere Metalle reagieren
heftig. Einige Metalle reagieren
mit Salzsäure. Es hängt davon ab, wie
ein Metall ist. Kupfer ist
als Zink, deshalb reagiert es
mit Salzsäure. Magnesium ist viel
als Zink, deshalb reagiert es
mit Salzsäure.

(Schiebe die Worte an die richtigen Positionen.)

heftig
edel
weniger
nicht
heftig
nicht
unedler
edler


Was ist nun eigentlich im Reagenzglas enthalten, nachdem die Salzsäure reagiert hat. Zink und Magnesium haben sich aufgelöst. Wir haben erfahren, dass sich die Metallatome durch Elektronenabgabe in Ionen verwandelt haben. Der Wasserstoff der Säure ist als Wasserstoffgas entwichen. Von der Salzsäure sind aber noch die Säurerestionen, die Chloridionen, in der Lösung.

In einer Abdampfschale kann man das Wasser verdunsten lassen. Zurück bleibt ein kristallin aussehender weißer Stoff. Es muss sich dabei um eine Verbindung aus den Zinkionen (Magnesiumionen) und den Chloridionen handeln. Der Stoff sieht auf den ersten Blick aus wie Kochsalz. Das liegt daran, dass er wie Kochsalz auch aus Ionen aufgebaut ist. Zum Vergleich siehe Reaktion von Natrium und Chlor.

Die neue Verbindung aus Zinkionen und Chloridionen nennt man Zinkchlorid, entsprechend nennt man die Verbindung aus Magnesiumionen und Chloridionen Magnesiumchlorid. Solche Stoffe, die aus Ionen augebaut sind haben alle diese kochsalzartige, kristalline Struktur, deshalb nennt man solche Stoffe Salze.

Ein Salz kann man sich immer entstanden denken aus einem Metall und einer Säure:


Metall + Säure --> Salz + Wasserstoff

Auch andere Säuren bilden Salze

Führt man den obigen Versuch statt mit Salzsäure mit Schwefelsäure durch, verläuft die Reaktion sehr ähnlich. Auch hier entsteht wieder ein Gas, dass sich durch die Knallgasprobe als Wasserstoff erweist. Beim Eindampfen bleibt wieder ein kristalliner, weißer Stoff zurück. Die Salze der Schwefelsäure heißen Sulfate. Also entsteht aus Zink und Schwefelsäure Zinksulfat. Mit Magnesium würde entsprechend Magnesiumsulfat entstehen. Und mit Eisen Eisensulfat usw.

Die Schefelsäure hat die Formel H2SO4. Sie hat 2 Wasserstoffatome, die Oxoniumionen bilden können, was in zwei Stufen geschieht:

H2SO4 + H2O --> HSO4- + H3O+

HSO4- + H2O --> SO42- + H3O+



Dissoziation von Schwefelsäure

Es fällt auf, dass sowohl das Sulfation als auch das Oxoniumion sehr symmetrisch aufgebaut sind. Solche Moleküle sind energetisch sehr günstig, weshalb die Dissoziation von Schwefelsäuremolekülen sehr leicht unter starker Erwärmung abläuft. Wenn genügend Wasser vorhanden ist, laufen beide Schritte bei allen Molekülen ab, sodass sich schließlich das zweifach negative Sulfation bildet.

Verdünnen von Schwefelsäure mit Wasser

Wie mann sieht, steigt die Temperatur bei der Reaktion von Schwefelsäure mit Wasser stark an auf etwa 110°C. Das zeigt, dass die Dissoziation von Schwefelsäure in Wasser eine stark exotherme Reaktion ist.

Man mag sich wundern, warum das Wasser bei der Temperatur von 110°C nicht zu kochen beginnt. Das liegt daran, dass das Schwefelsäure-Wasser-Gemisch einen viel höheren Siedepunkt hat als reines Wasser.


Nachweis von Säuren und Basen

Um Säuren und Basen nachzuweisen, bedient man sich sogenannter Indikatoren, die in Anwesenheit von Säure oder Base in charakteristischer Weise ihre Farbe ändern. Ein solcher Indikator ist z.B. Universalindikator, der je nach Verdünnungsrad der Säure unterschiedliche Farben annehmen kann.

Prüfen von Salzsäure mit Universalindikator

Universalindikator hat im Ausgangszustand die Farbe
.
In Gegenwart von Salzsäure färbt er sich
.

(Schiebe die Worte an die richtigen Positionen.)

rot
blau
violett
grün