1.5 Säuren und Basen und der pH-Wert

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1.5 Säuren und Basen und der pH-Wert
1.5.1 Säuren
Geschichtlich bedingte Definition:
Eine Säure ist ein Stoff, dessen wässrige Lösung sauer schmeckt oder ätzend wirkt,
bzw. andere Stoffe angreift.
Säuren kommen in der Natur zahlreich vor so sind z. B. Essigsäure, Milchsäure, Buttersäure
in vielen Stoffen des Alltags vorhanden. Säuren benötigt man auch zum Haltbarmachen von
Lebensmitteln, so dass sie als Lebensmittel-Zusatzstoffe auf den Verpackungen vermerkt werden. In Getränken sind die bekanntesten die Weinsäure und die Kohlensäure. Die Entkalker
enthalten auch eine Säure, die in der Lage ist vorhandene Kalkverschmutzungen aufzulösen.
Säuren färben eine Indikatorlösung rot.
Moderne Definitionen (1923 Brönsted und Lowry):
Eine Säure ist eine Substanz, die Protonen abgeben kann, d. h. ein Protonen-Donator.
In einer wässrigen Lösung bilden sich Hydronium-Ionen H3O+ .
Beispiele:
─ Die Säure Chlorwasserstoff (HCl) oft auch Salzsäure genannt gibt in einer wässrigen
Lösung ein Wasserstoff-Ion (ein Proton) an das Wasser ab
HCl + H2O ⇔
H3O+ + Cl─
und bildet die sogenannten Hydronium-Ionen H3O+ und Chlor-Ionen.
─ Die Salpetersäure HNO3 dissoziert in einer wässrigen Lösung:
HNO3 + H2O ⇔
H3O+ + NO3─
Es entstehen Hydronium-Ionen und Nitrat-Ionen NO3─ .
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─ Die Schwefelsäure H2SO4 wird in einer wässrigen Lösung zerlegt in
H2SO4 + 2H2O ⇔
2H3O+ (SO4 )2─
Es entstehen Hydronium-Ionen und Sulfat-Ionen (SO4 )2─ .
1.5.2 Der pH-Wert
Säuren werden stets als Lösungen in verschiedenen Konzentrationen gebraucht. Die Stärke einer Säure wird durch ihren pH-Wert festgelegt, d.h ist proportional zur Anzahl der in der
wässrigen Lösung sich bildenden Hydronium-Ionen H3O+, gemäß folgender Formel:
pH = ─ log (Konzentration(H3O+))
wobei die Konzentration in mol/l gemessen wird.
Konzentration = 10 mol/ l
Konzentration = 100 mol/ l
Konzentration = 10−2 mol/ l
Konzentration = 10−7 mol/ l
pH = −1
pH = 0
pH = 2
pH = 7
Im reinen Wasser ist die Konzentration von 10−7 mol/ l, so dass dieses einen pH-Wert von 7
hat. In der Tabelle pH-Werte können Werte weiterer Stoffe eingesehen werden.
1.5.3 Salze
Säuren reagieren mit Metallen bzw. Metalloxiden und bilden Salze und Wasserstoff bzw.
Wasser d.h. nach folgenden Muster:
Säure + Metall (Metalloxid) →
Salz + Wasserstoff (Wasser)
─ Die Salze der Salzsäure (HCl) werden als Chloride bezeichnet.
Beispiele:
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2HCl + 2Na = 2NaCl + H2 ; NaCl = Natriumchlorid = Salz
2HCl + MgO = MgCl2 + H2O ;
MgCl2 = Magnesiumchlorid
─ Die Salze der Salpetersäure (HNO3)werden als Nitrate bezeichnet.
Beispiel:
2HNO3 +2K = 2KNO3 + H2 ;
KNO3 = Kaliumnitrat = Kaliumsalpeter
─ Die Salze der Schwefelsäure (H2SO4)werden als Sulfate bezeichnet.
Beispiel:
H2SO4 +2K = 2K2SO4 + H2 ;
K2SO4 = Kaliumsulfat
In einer erhöhten Konzentration greifen spezielle Mischungen von Salpetersäure und Salzsäure wie z. B. das Königswasser (1 Teil Salpetersäure und drei Teile Salzsäure) sogar die Edelmetalle an und bilden Salze (s. Abb.).
Salpetersäure löst nicht Goldstreifen
Königswasser löst die Goldstreifen
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Die in den Böden vorkommenden Nitrate spielen bei der Versorgung der Pflanzen mit Nährsalzen eine bedeutende Rolle. Aus den Stickstoffatomen der Nitrate bauen die Pflanzen Proteine und sind somit ein unabdingbares Glied im Nahrungskreislauf.
Alle Nitrate (stickstoffhaltigen Salze) eignen sich zur Herstellung von Düngermittel. Die
großflächige Ausbringung von Nitratdünger kann zu einer gesundheitlichen Gefährdung führen, wenn sie die Nitrat Konzentration im gedüngten Gemüse oder im Trinkwasser erhöhen.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt deshalb, nicht mehr als 220mg Nitrat täglich zu sich zu nehmen.
Im Speichel des Menschen werden regelmäßig kleine Mengen Nitrat in Nitrit umgewandelt
aus dem im Magen Nitrosaminen gebildet werden können. Die Nitrosamine werden auch in
kleinen Mengen zu den Krebs erzeugenden Stoffe gezählt.
Einigen Wurst- oder Käsesorten wird Nitrat oder sogar Nitrit als Lebensmittel Zusatzstoff zur
Konservierung zugesetzt. Nitrathaltiger Käse oder gepökelte Wurst darf nicht erhitzt werden
(Grillen), weil beim Erhitzen Nitrosamine entstehen können. Nach der Verordnung zur Kennzeichnung von Lebensmitteln müssen die Inhaltsstoffe sämtlicher Lebensmittel deklariert
werden. Dabei werden den Zutaten E-Nummern (EG-Nummern) zugeordnet, die in Europa
einheitlich verwendet werden. Die E-Nummern für Nitrate sind E-251 und E-252 während
Natriumnitrit mit E-250 gekennzeichnet werden muss.
1.5.4 Basen (Laugen)
Geschichtlich bedingte Definitionen:
Eine Base ist ein Stoff, dessen wässrige Lösung bitter schmeckt, sich seifig anfühlt.
Moderne Definitionen (1923 Brönsted und Lowry):
Eine Base kann Protonen aufnehmen, sie ist ein Protonen-Akzeptor. In einer wässrigen
Lösung bilden sich Hydroxid- Ionen OH─.
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Beispiele:
─ Die Base NaOH auch Natronlauge genannt bildet in einer Lösung OH−-Ionen:
NaOH
⇔
Na+ + OH─
─ Die Base Ammoniak (NH3) löst sich im Wasser zu einen Ammonium-Ion und einen Hydroxid-Ion (OH─ ):
NH3 + H2O ⇔
1.5.5
NH4+ + OH─
Die Neutralisation von Säuren und Basen
Wie es aus der Definition ersichtlich ist, sind Säure und Basen jeweils Gegenspieler, d.h. sie
würden sich gegenseitig neutralisieren, wenn man sie miteinander vermischt. Die Reaktion
von Natronlauge und Salzsäure ergibt Wasser und Kochsalz, somit aus zwei ätzenden Stoffen
entstehen zwei völlig harmlose Stoffe:
NaOH + HCl = H2O + NaCl
Der Magensaft enthält Salzsäure für das Abtöten von Bakterien. Diese würde unter normalen
Umständen die Magenwand angreifen. Die oberste Zellschicht der Magenwand bildet einen
für Säuren undurchdringlichen Schleim. Die darunter liegenden Drüsen produzieren die Base
Natriumhydrogencarbonat, die eventuell eindringende Säure neutralisiert.
In Stresssituationen, durch das Konsumieren von fetten Speisen oder Alkohol aber auch
durch die Einnahme von schleimhautreizenden Medikamenten wird dieser Schutzmechanismus gestört. Als Folge der Überproduktion von Säure kann eine Magenschleimhautentzündung (Gastritis) entstehen oder es kommt zur Ausbildung eines Magengeschwürs. Degegen
können Medikamente wirken, die Basen wie z.B. Magnesiumhydroxid enthalten, die in der
Lage sind die Magensäure zu neutralisieren.