Säure-Base-Reaktionen

Bei Säure-Base-Reaktionen werden Wasserstoffionen (H+-Ionen) übertragen. Im Alltag begegnen uns saure und basische Lösungen beispielsweise in Lebensmitteln und in Reinigungsmitteln. Der pH-Wert ist ein Maß dafür, wie sauer bzw. basisch eine Lösung ist.

Arbeitsmittel

Säuren und Basen im Alltag

Überlege, wo dir Säuren und Basen im Alltag begegnen! Vor allem in der Küche und im Haushalt hast du mit sauren und basischen Lösungen zu tun.

Auf Lebensmitteletiketten kann man Inhaltsstoffe wie Essigsäure, Zitronensäure oder Milchsäure lesen. Diese bewirken einen sauren Geschmack und machen Lebensmittel länger haltbar. Zitronensäure und Essigsäure eignen sich sehr gut dafür, um Kalkablagerungen in der Küche und im Badezimmer zu entfernen.

Frische Limonade mit Zitronen
Säuren wie Zitronensäure bewirken in Limonaden den sauren Geschmack.
Joghurt
Bei der Herstellung von Joghurt entsteht durch Gärung Milchsäure. Diese bewirkt den säuerlichen Geschmack des Joghurts und führt dazu, dass das Eiweiß in der Milch gerinnt.
Essigflaschen
Essig wird bei der Nahrungszubereitung verwendet, er eignet sich aber auch zum Entfernen von Kalkablagerungen.

Die Natronlauge wird in der Lebensmittelproduktion bei der Herstellung von Laugengebäck eingesetzt. Im Haushalt findet man Basen beispielsweise in Seifen und Waschmitteln.

Laugenbretzel
Laugenbrezen werden vor dem Backen mit Natronlauge bestrichen. Beim Backen reagiert Natronlauge, sodass der typische Geschmack entsteht.
Seife
Laugen werden im Haushalt häufig in Seifen und Waschmitteln eingesetzt.

Eigenschaften von sauren und basischen Lösungen

Saure Lösungen schmecken sauer (das kennt man von Limonaden und Zitronensaft), basische Lösungen führen sich seifig an. Aber welche Eigenschaften sind noch typisch für saure und basische Lösungen?

Sie sind ätzend

Saure und basische Lösungen zerstören Gewebe und greifen Oberflächen an. Der Grad der Verätzung hängt dabei von der Konzentration und von der Art der Substanz ab. Säuren schädigen die Zellen an der Hautoberfläche. Basische Lösungen zersetzen organisches Material, sodass dieses dabei verflüssigt. Dadurch kann die schädigende Substanz weiter ins Gewebe eindringen und tieferliegende Schichten zerstören.

Saure und basische Lösungen sind ätzend.
Verätzter Finger
Verätzung durch Flusssäure.

Saure Lösungen noch genauer kennenlernen

Hier kannst du weitere Eigenschaften saurer Lösungen noch genauer untersuchen. Wie reagieren Säuren mit Metallen oder mit Kalk?

Säure-Base-Reaktionen

Bei Säure-Base-Reaktionen findet eine Übertragung von Protonen (Wasserstoffionen, H$$^+$$-Ionen) statt. Man spricht daher auch von Protolyse. Ein H$$^+$$-Ion besteht nur aus einem Proton, da sich der Kern eines Wasserstoffatoms (dieser besteht aus einem p+) abspaltet, das Elektron bleibt beim Bindungspartner zurück.

Ein H+-Ion besteht nur aus einem Proton.

Säuren sind Teilchen, die Protonen liefern, man bezeichnet sie als Protonendonatoren.

Im Wasser werden Protonen auf Wasser-Moleküle übertragen, es bleibt ein negativ geladener Säurerest zurück. Es entstehen Oxonium-Ionen (H3O$$^+$$-Ionen), die für die sauren Eigenschaften der Lösung verantwortlich sind. Im folgenden Beispiel wird das Proton von Chlorwasserstoff (HCl) auf ein Wassermolekül übertragen, es entsteht Salzsäure.

Säuren sind Protonendonatoren.

Basen sind Teilchen, die Protonen aufnehmen, sie sind Protonenakzeptoren.

In Wasser werden Protonen von Wassermolekülen übertragen, es bleiben negativ geladene Hydroxid-Ionen (OH$$^-$$-Ionen) zurück. Sie sind für die basischen Eigenschaften verantwortlich. Reagiert Ammoniak (NH$$_3$$) in Wasser, bildet sich Ammoniakwasser.

Basen sind Protonenakzeptoren.

Die Rolle von Wasser

Wasser spielt bei Säure-Base-Reaktionen eine wichtige Rolle. Saure bzw. basische Lösungen bilden sich, weil Säuren bzw. Basen in Wasser reagieren. Wie man in den obigen Abbildungen sieht, ist Wasser dabei – abhängig vom Reaktionspartner – ein Protonenakzeptor oder ein Protonendonator. Man bezeichnet Wasser daher als Ampholyt.

Wasser kann sogar mit sich selbst reagieren, man spricht von Autoprotolyse. Dabei reagieren sehr wenige Wassermoleküle (abhängig von der Temperatur) durch Übertragung von Protonen.

Autoprotolyse des Wassers.

Formeln und Namen

Säuren

Die Formeln anorganischer Säuren haben immer den gleichen Aufbau. Salpetersäure ist eine einprotonige Säure (da sie ein H-Atom beinhaltet). Jeder Säurerest (hier: NO$$_3$$$$^-$$) hat eine eigene Bezeichnung. NO$$_3$$$$^-$$ ist das Nitrat-Ion.

Aufbau einer Säureformel am Beispiel Salpetersäure.

Formeln von organischen Säuren wie der Essigsäure (Ethansäure, CH$$_3$$COOH) haben einen speziellen Aufbau. Du erkennst sie an der COOH-Gruppe in der Formel. Bei organischen Säuren wird immer ein Proton der COOH-Gruppe abgespalten. Der Säurerest der Essigsäure ist daher CH$$_3$$COO$$^-$$.

Lerne hier gängige Säuren genauer kennen!

Formel Bezeichnung in Lösung Säurerest Bezeichnung des Säurerests Vorkommen / Verwendung
HCl Salzsäure Cl- Chlorid-Ion Magensaft, Industrie
HNO3 Salpetersäure NO3- Nitrat-Ion Herstellung von Düngemitteln
HF Flusssäure F- Fluorid-Ion Herstellung von Computerchips
H2SO4 Schwefelsäure SO42- Sulfat-Ion sehr wichtig für industrielle Produktion
H2CO3 Kohlensäure CO32- Carbonat-Ion Getränkeherstellung
H3PO4 Phosphorsäure PO43- Phosphat-Ion Lebensmittelindustrie (z. B. in Cola-Getränken)
CH3COOH Essigsäure CH3COO- Acetat-Ion Salatmarinade, Lebensmittelindustrie

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Sodawasser

Leitet man Kohlenstoffdioxid in Wasser ein, reagiert ein kleiner Teil (weniger als 0,5 % des eingeleiteten CO2) mit Wasser zu Kohlensäure (H2CO3). Der Rest des CO2 liegt im Wasser gelöst vor und erzeugt damit die bekannten Gasbläschen im Sodawasser. Die entstandene Kohlensäure (H2CO3) zerfällt in Ionen. Dabei werden pro Molekül zwei Protonen auf Wassermoleküle übertragen, es entstehen H3O+-Ionen. Die Oxonium-Ionen machen Sodawasser leicht sauer.

Basen

Formeln von Basen erkennt man am Metallatom (z.B. bei NaOH) und der OH-Gruppe (Hydroxid-Gruppe). In wässriger Lösung bilden sie Ionen: Metall-Kationen (z.B. Na+) und Hydroxid-Anionen (OH-). Eine Besonderheit ist Ammoniak (NH3), hier liegen keine Metall-Kationen vor.

Lerne hier gängige Basen genauer kennen!

Formel Name Bezeichnung in Lösung Verwendung
NaOH Natriumhydroxid Natornlauge Abflussreiniger
KOH Kaliumhydroxid Kalilauge Herstellung von Seifen und Farbstoffen
Ca(OH)2 Calciumhydroxid Kalkwasser zur Analyse (Nachweis von CO2)
NH3 Ammoniak Ammoniakwasser Reinigungsmittel

Neutralisation

Mischt man saure und basische Lösungen miteinander, kommt es zur Neutralisationsreaktion. Dabei reagieren die H3O+-Ionen und die OH--Ionen zu Wassermolekülen. Die Neutralisationsreaktion ist eine exotherme Reaktion, es wird dabei Energie frei.

Bei der Neutralisation reagieren Oxoniumionen (H3O+) und Hydroxidionen (OH-) zu Wasser.

Werden die Lösungen dabei im richtigen Verhältnis zueinander verwendet, entsteht eine neutrale Lösung. Im folgenden Beispiel reagieren Salzsäure (HCl(aq)) und Natronlauge (NaOH(aq)) miteinander. Dabei entsteht eine neutrale Kochsalzlösung.

Neutralisationsreaktion von Salzsäure und Natronlauge.
Salzsäure Natronlauge
Mischt man saure und basische Lösungen im richtigen Verhältnis, entsteht eine neutrale Lösung.

In unserem Körper finden überlebenswichtige Neutralisationsreaktionen statt. Der Magensaft, der von Drüsen in der Magenschleimhaut produziert wird, beinhaltet Salzsäure. Hast du dich schon einmal gefragt, warum unsere Magenwand nicht vom Magensaft zersetzt und verdaut wird? Das liegt daran, dass die Magenschleimhaut eine dicke schützende Schleimschicht produziert. Diese beinhaltet HCO3--Ionen (Hydrogencarbonat, Anionen der Base NaHCO3). Sie neutralisieren die H3O+-Ionen der Salzsäure. Im Zwölffingerdarm sorgen HCO3--Ionen für eine basische Umgebung, im Blut schützen sie vor Übersäuerung.

Eine dicke Schleimschicht überzieht die Magenwand und schützt sie dadurch vor der Salzsäure im Magensaft. Dabei spielt eine Neutralisationsreaktion eine wichtige Rolle.

pH-Wert und Indikatoren

Ein Maß für die Konzentration der frei vorliegenden H3O+-Ionen ist der pH-Wert. Damit kann angegeben werden, ob eine Lösung sauer, neutral oder basisch ist. Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Neutrale Lösungen haben einen pH-Wert von 7. Je saurer eine Lösung ist, umso geringer ist der pH-Wert. Je bassischer die Lösung ist, umso höher ist der pH-Wert.

Die pH-Skala reicht von 0 bis 14

Der pH-Wert kann mit einem pH-Meter gemessen werden. Mit einem Indikator wird der pH-Wert einer Lösung abgeschätzt. Indikatoren sind Farbstoffe, deren Farbe sich in Abhängigkeit des pH-Wertes ändert. Indikatoren werden als Flüssigindikator oder als Teststreifen eingesetzt.

pH-Meter
pH-Meter
flüssiger Universalindikator
Farbreihe eines flüssigen Universalindikators.
Universalindikatorpapier
pH-Teststreifen (hier: Universalindikatorpapier)

Im Labor kommen Mischungen an Indikatorsubstanzen (Universalindikatoren) oder einzelne Substanzen zum Einsatz. Die Farbskala zeigt, dass sich Phenolphtalein für den Nachweis stark basischer Lösungen eignet. Methylorange hingegen wird beim Nachweis von stark sauren Lösungen eingesetzt. Es gibt aber auch Naturstoffe wie Schwarztee, Malventee oder Rotkrautsaft, die als Indikatoren eingesetzt werden können.

Umschlagbereiche verschiedener Indikatoren
Schwarztee mit Zitronenscheibe
Schwarztee färbt sich durch eine Säure (z. B. Zitronensäure in Zitronensaft) hell.
Rotkohlsaft ist ein guter Indikator

Möchtest du Indikatoren selbst herstellen und anwenden? Hier findest du wichtige Tipps dazu!

Finde heraus, welche pH-Werte Alltagsprodukte aufweisen!

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