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Der Säurebegriff
im Alltag und in
der Chemie
a) Der Säurebegriff im Alltag
Im alltäglichen Sprachgebrauch meint
man mit einer Säure einen Stoff, der sauer schmeckt oder ätzend
wirkt, bzw. andere Stoffe angreift. Die Säuren im Labor wie Salzsäure,
Schwefelsäure oder Salpetersäure
sind meist mehr oder weniger verdünnte Lösungen der reinen Säuren.
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Säuren sind auch in vielen Stoffen des
Alltags vorhanden. Der Entkalker enthält eine Säure, die Kalkverschmutzungen
auflöst. Säuren benötigt
man auch zum Haltbarmachen von Lebensmitteln. Als Lebensmittel-Zusatzstoffe
befinden sie sich in vielen Getränken (Weinsäure,
Kohlensäure). Sie kommen in der Natur auch zahlreich vor (Essigsäure,
Milchsäure, Buttersäure).
Säuren wirken sauer und färben Universalindikatorlösung
rot.
Säuren können unterschiedlich
stark sein. Ihre Stärke hängt vom pH-Wert
ab. Je kleiner der pH-Wert umso stärker ist die Säure. Zu den
stärksten herkömmlichen Säuren gehören die Salpetersäure,
die Salzsäure und die Schwefelsäure.
Die Stärke der sogenannten "Supersäuren" lässt sich mit
dem pH-Wert allerdings nicht mehr ausdrücken. So ist ein Gemisch aus
10% Fluorsulfonsäure (HSO3F) und 90% Antimonfluorid (SbF5)
eine Trillion mal (1015) so sauer wie konzentrierte Schwefelsäure.
b) Der Säurebegriff in der chemischen
Fachsprache
Bei den Griechen und Römern war eine
Säure ein Stoff, der essigähnliche Eigenschaften aufwies. Das
lateinische Wort für sauer (acidus) leitete sich vom Essig
(lat. acetum) ab. Johann Rudolph
Glauber (1604-1670) stellte eine ganze Reihe an neuen Säuren her,
so gelang ihm erstmals die Herstellung von konzentrierter Salzsäure
und deren Salze. Der französische Chemiker Antoine
Lavoisier (1743-1794) glaubte noch im Jahre 1789, dass Sauerstoff
in allen Säuren vorhanden war. Das Prinzip "oxygène" sah er
als säureerzeugendes Prinzip im Sauerstoff vorliegen. Humphry
Davy (1778-1829) widerlegte Lavoisiers Theorie und zeigte 1812, dass
sich vom Chlor kein Sauerstoff abtrennen lassen konnte. Daraus folgerte
er, dass auch die Salzsäure keine sauerstoffhaltige Verbindung sein
kann, sondern dass Wasserstoff das kennzeichnende
Element von Säuren sein muss.
Den ionischen Charakter von Säuren
(und von Salzlösungen) erkannte der schwedische Chemiker Svante
Arrhenius (1859-1927). Nach ihm enthalten wässrige Säuren
in ihrer Lösung positiv geladene Wasserstoff-Ionen und negativ geladene
Säurerest-Ionen, Basen dagegen positiv geladene Baserest-Ionen und
Hydroxid-Ionen. Der dänische Chemiker Johannes Nicolaus Brönstedt
(1879-1947) erweiterte im Jahre 1923 den Säure-Basebegriff.
Nach Broenstedt geben Säuren Protonen
ab:
Säuren sind
Protonenspender
Das folgende Beispiel zeigt, was passiert,
wenn sich die Säure Chlorwasserstoff
im Wasser löst. Der Chlorwasserstoff gibt ein Proton an das Wassermolekül
ab. Beim Chlor-Atom bleibt das übrige Elektron des Wasserstoff-Atoms
zurück und bildet dadurch einen negativen Ladungsüberschuss.
Es wird zu einem negativ geladenen Chlorid-Ion:
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Eine wässrige Lösung, die Chlorid-Ionen
und Hydronium-Ionen (H3O+-Ionen) enthält, wird
zwar als "Salzsäure" bezeichnet, doch für einen Chemiker ist
der Chlorwasserstoff die eigentliche Säure. Hier zeigt sich, dass
die Fachsprache nicht immer mit der Alltagssprache übereinstimmt.
In der Fachsprache ist die Base das Gegenteil
einer Säure. Basen nehmen Protonen auf. Daher wirkt das Wasser in
unserem Beispiel als Base. Das Vorhandensein von Ionen
in den wässrigen Lösungen der Säuren bewirkt eine elektrische
Leitfähigkeit der Flüssigkeit. Mit Metallen bilden Säuren
Salze, jede Säure bildet ein eigenes, typisches
>Salz.
Brönstedt-Säuren
und Brönstedt-Basen
Die heute gültige Definition für
Säuren in der chemischen Fachsprache wurde von dem dänischen
Chemiker Johannes Nicolaus Brönstedt (1879-1947) entwickelt. Nach
Brönstedt sind Säuren Verbindungen, die Protonen abgeben können
(Protonendonatoren). Basen sind demnach Verbindungen, die Protonen aufnehmen
(Protonenakzeptoren). Die Protonenübertragungsreaktionen
nach Brönstedt nennt man auch Säure/Base-Reaktionen
(gelegentlich auch Protolyse
genannt). Beispiel:
Die Säure HA gibt ein Proton an die
Base B ab. Der Doppelpfeil verdeutlicht, dass die Reaktion in beide Richtungen
abläuft und sich ein chemisches Gleichgewicht einstellt. Die Paare
HA/A- und B/HB+ nennt
man korrespondierende Säure/Base-Paare.
Zur Verdeutlichung wird die oben beschriebene Säure/Base-Reaktion
des Chlorwasserstoffs mit Wasser herangezogen:
Hier ist das Chlorid-Ion (Cl-)
die korrespondierende Base zur Säure Chlorwasserstoff (HCl) und das
Hydronium-Ion (H3O+) die korrespondierende Säure
zur Base Wasser (H2O). Im Wasser selbst kann eine Protolyse
auch ohne ein Reaktionspartner stattfinden, es handelt sich dann um eine
>Autoprotolyse.
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(des Wassers)
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