Säuren sind unterschiedlich gefährlich oder, wie der Chemiker
sagt, unterschiedlich stark. So können Sie sich 100%ige Zitronensäure
auf die Haut schütten, ohne dass etwas passiert, was für 100%ige
Schwefelsäure wenig ratsam wäre. Sie schütten 10 %igen Essig
über den Salat, trinken Kohlensäure, würden aber nicht dasselbe
mit Salzsäure tun.
Was macht also den Unterschied?
Was sind zunächst einmal Säuren?
Betrachtet man die Formeln der einzelnen Säuren, fällt auf,
dass sie alle, wenn auch in unterschiedlicher Menge, das Element Wasserstoff
(H) enthalten.
HCl, HF,H2SO4, H2CO3, H3PO4,
H2SO3, HNO3, ... oder vereinfacht
HX (X = Cl, HSO4, HCO3, H2PO4,
HSO3, NO3,...)
Ihre gemeinsamen Eigenschaften muss also mit dem Element H zusammenhängen.
Zunächst einmal nannte man alles, was sauer schmeckte,
eine Säure.
Allerdings erwies es sich diese Technik mit zunehmender Erzeugung technischer
Säuren und mangels geeigneter Vorkoster als nicht praktikabel. Es
entstand also das Bedürfnis der apparativen Messbarkeit und der Vorhersagbarkeit.
Die Definition wurde erweitert.
Säuren sind Protonendonatoren
Die allgemeine Formel dafür ist: HX
H+ + X-
Das Proton (H+) kann allerdings nicht frei in der Lösung
existieren, sondern verbindet s ich sofort mit Wasser zum Oxoniumion (H3O+)
H+ + H2O
H3O+
Auf diese Oxoniumionen reagiert Ihr Messinstrument Zunge ebenso wie
das pH-Papier, das technische Messgerät wie der Indikator.
Nun zur Säurestärke. Die Formel täuscht vor, dass der
Stoff Säure in die beiden Ionen dissoziiert (zerfällt). Es wird
aber immer nur 1 Teilchen in dieser Formel geschrieben. Wie sieht es aus,
wenn man nun 1000 Moleküle hat? Hier offenbart sich der Unterschied:
So sind von der Chlorwasserstoffsäure ("Salzsäure") fast alle
Moleküle dissoziiert, während von der Essigsäure nur wenige
zerfallen sind.
Als Modell kann man die aus der Physik bekannten kommunizierende Röhren
heranziehen. Für jedes der drei Teilchen (HX, H+, X-)
gibt es eine, allerdings sind ihre Weiten unterschiedlich. Der Pegel ist
bei allen drei Röhren gleich hoch. In der Salzsäure befindet
sich nach dioesem Modell nur wenig HCl, aber viel H+, Cl-
. Sie ist eine starke Säure, weil sie fast vollständig dissoziiert.
"Kohlensäure" (CO2 + H2O) ist weniger stark.
Es ist noch ein großer Anteil Kohlensäure vorhanden und daneben
auch H+ und HCO3- . Bei der "Säure"
Wasser sind die Verhältnisse noch extremer, Es liegt fast nur die
undissoziierte Säure H(OH) = H2O vor und nur extrem wenig
H+, OH- , beides jedoch in gleicher Menge. Deswegen
ist (schmeckt) Wasser neutral.
Die chemische Technik arbeitet mit dem pKs-Wert.
HCl: -7 / H2SO4:1,92 / Ameisensäure: 3,77
/ Milchsäure: 3,87 / Essigsäure: 4,76 / H2CO3:
6,51 / HCO3-: 10,4 / H2O:
15,74
Lernwert: Je kleiner der pKs-Wert ist, desto stärker
ist die Säure.
Was "versteckt sich nun dahinter?
Nimmt man noch einmal das Modell der abgebildeten kommunizierenden
Röhren. Füllt man z. B. HCl nach, erhöht sich dort der Pegel,
sinkt aber anschließend so lange, bis sich alle Pegel wieder angleichen.
Ein Teil der HCL-Moleküle müssen also dissoziieren. Füllt
man den Chloridpegel auf, muss die Reaktion umgekehrt verlaufen, es muss
mehr HCl entstehen, weil dort der Pegel steigt. (Für ganz schlaue
Leute: jetzt müsste der H+-Pegel niedriger sein, da aus
Chlorid keine Protonen entstehen könne. Hier hat das Modell seinen
Fehler.)
Entscheidend ist jedoch, dass die 3 Teilchen immer in einem stofftypischen,
temperaturabhängigen Verhältnis stehen, das sich physikalisch
erfassen lässt.
Für die Reaktion HX
H+ + X-, gilt folgende Gesetzmäßigkeit:
Ks ist eine Säurekonstante (Tabelle) = 10-pKs
/ C steht als Abkürzung für die Konzentration.
Für HCl gilt pKs = (-7) damit wäre Ks = 10-(-7)
= 107 (10 mio). Betrachtet man den Bruch, kann dieses Ergebnis
nur bedeuten, der Zähler ist gegenüber dem Nenner erheblich größer
Anders liegt der Fall beim Wasser: pKs = 15,74 , d.h., Ks = 10-15,74.
Hier ist der Nenner um ein Vielfaches größer, es liegt fast
nur Wasser vor.
Beispiel Essigsäure:
Wie sind die Verhältnisse in einer Essigsäurelösung
mit der Konzentration 10-2 (0,01) Mol/L?
Ks = 4,76 In die Formel eingesetzt ergäbe sich:
Betrachtet man noch einmal die Formel: HX
H+ + X-, so erkennt man, dass auf ein H+
ein X- entsteht, die beiden Konzentrationen sind somit
gleich groß und können damit formelmäßig zusammengefasst
werden:
bzw.
Damit ist die Gleichung auflösbar:
10-4,76 * 10-2 = C(H+)2
= C(X-)2 = 10-6,76
C(H+) = C(X-) = 10-3,38(Mol/L)
Damit hat man die Verteilung der Teilchen:
Essigsäuren (HX, gegeben) 10-2 (Mol/L) // Oxoniumionen
(Protonen, H+) 10-3,38(Mol/L) // Acetationen
(X-) 10-3,38(Mol/L)
Gleichzeitig hat man den pH-Wert der Säurelösung, er ist
abgeleitet von der Oxoniumionenkonzentration:
Oxoniumionen (Protonen, H+) 10-3,38(Mol/L)
pH = 3,38
(Auch dies ist nicht ganz exakt, da ja die entstandene Menge an Ionen
aus der Essigsäure gebildet wurden, also ist ein Teil der Essigsäure
verbraucht worden. Bei schwachen Säure macht sich diese Menge aber
nicht sehr bemerkbar: hier müssten von 10-2 (Mol/L)
10-3,38(Mol/L) abgezogen werden, das sind aber fast 2 Zehnerpotenzen
weniger, also 1 % Abzug, oder 1 Teil von 100, also vernachlässigt
man das bei der Rechnung großzügig.)
Beispiel Wasser:
bzw.
Die Konzentration von Wasser ist 55,6 Mol/L (1L Wasser wiegt 1000g,
1 Mol Wasser wiegt 18 g; 1000/18 = 55,6)
10-15,74 * 55,6 = C(H+)2 = C(X-)2 = 10-14
C(H+) = 10-7(Mol/L)= C(OH-)
Daraus ergeben sich 2 Erkenntnisse:
- Wasser hat den pH = 7 und Wasser ist neutral, da es gleich viel Protonen
wie Hydroxidionen enthält.
- in einem Liter Wasser sind 55,6 Mol Wasser (1000 g) und 10-7Mol
(0,000 000 1 g) Mol H3O+ (H+) und 10-7Mol
OH- (0,000 0017 g).
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