Säuren und Laugen/Basen

Zunächst einmal: Base oder Lauge ist dasselbe! Merk Dir beide Begriffe sinnvollerweise, denn beide werden genutzt. Um das zu üben, werde auch ich beide Begriffe nutzen, bevorzuge aber "Lauge".

Säuren

Säuren gibt es sowohl in der organischen als auch in der anorganischen Chemie. In der organischen Chemie sind das die Carbonsäuren, eine große Gruppe, die sich anhand ihrer chemischen Strukturen nochmal in Untergruppen unterteilen lassen. Dazu gehören die Alkansäuren, die in einem Extrakapitel behandelt werden.

Nochmal kurz zur Erinnerung:

Organik = Chemie der Kohlenwasserstoffe
(Alkane, Alkene, Alkine, Alkoholer, Alkansäuren, Seifen, Ester, Kohlenhydrate, Proteine usw. gehören alle zur Organik)

Anorganik: Chemie aller anderen Elemente des PSE
(Luft, Wasser, Metalle, Salze, Säuren und Laugen gehören zur Anorganik)

Alle Säuren, sowohl organische als auch anorganische, haben 2 gemeinsame chemische Merkmale:

1. Säuren färben Indikatoren in der gleichen Art und Weise. 
   (siehe weiter unten)
2. Säuren haben ein leicht abspaltbares H⁺.

Manche Säuren haben viele abspaltbare H⁺, das sind starke Säuren. Dazu gehören zum Beispiel Schwefelsäure (die findet man z.B. in Autobatterien) oder Phosphorsäure. Und manche haben nur wenige H⁺, die sich gleich mit Sauerstoff zu Wasser verbinden, das sind schwache Säuren. Dazu gehören zum Beispiel viele organische Säuren, die man aus dem Haushalt kennt, wie Essigsäure oder Zitronensäure oder Kohlensäure.

Wie kommt es zu dieser leichten Abspaltung?

Grund ist der Dipol, der in Säuren ausgeprägt ist. Du kennst diesen Begriff aus dem Kapitel Wasser.

Ich will dir das hier erneut kurz erklären.

Wasser ist aufgrund seines Gehaltes an sehr elektronegativem Sauerstoff ein Dipolmolekül: Das Sauerstoff zieht die Bindungselektronen des Wasserstoffs zu sich. Und da Elektronen negativ geladen sind, wird der Sauerstoff negativ aufgeladen. Dieselben Elektronen fehlen auf der Seite des Wasserstoffs und er bleibt mit seinem einen positiv geladenen Proton im Kern zurück. Im gewinkelten Wassermolekül bildet sich so ein Dipol aus: negativer Pol am Sauerstoff und positive Pole an jedem Wasserstoff.

Das bedeutet Dipol.

Solche Dipole bilden sich aber nicht nur im Wassermolekül, sondern auch in anderen Molekülen mit einem großen Unterschied in den Elektronegativitäten. Säuren gehören dazu, ebenso Laugen und Salze.

Diese Dipol-Bildung hat wichtige Auswirkungen auf die Eigenschaften und das Verhalten solcher Stoffe in Wechselwirkung mit anderen Stoffen.

Beispielsweise zerfallen (= dissoziieren) diese Stoffe in Wasser in ihre positiven und negativen Ionen und können dann den Strom leiten. Ebenso geht das, wenn man feste Stoffe, wie NaCl (Kochsalz) mit solchem Aufbau schmilzt. 

Die leichte Abspaltung ist ebenso diesem Mechanismus geschuldet: Der eine Partner nimmt einfach die leicht abspaltbaren Außenelektronen des anderen Partners mit und geht fortan ganz negativ und gleichzeitig viel stabiler seiner eigenen Wege. Der andere Partner lässt seine Außenelektronen gern los, weil er dann stabiler ist und geht positiv seiner eigenen Wege. Warum stabil? Siehe Oktettregel.

Das Merkmal für den sichtbaren Bereich ist der pH-Wert. Anhand des Molekülaufbaus kann man das auch erkennen, dazu später mehr.

Der pH-Wert zeigt an, ob es sich bei einer durchsichtigen Flüssigkeit um eine Säure oder Base handelt. 

Der pH-Wert-Bereich geht von 0 bis 14. In der Mitte, bei 7, befinden sich neutrale Lösungen, wie z.B. reines Wasser.

Säuren liegen im Bereich 0 bis unter 7 und Basen im Bereich von über 7 bis 14.

Hier siehst Du die pH-Wert-Skala:

Ein Indikator (= Anzeiger) zeigt an, ob es sich um eine Säure oder Lauge handelt. Man kann das schnell erkennen anhand der Farbe, die Säuren und Laugen mit einem Indikator jeweils zeigen.

Die bekanntesten und am meisten genutzten Beispiele sind:

1. Lackmus (Säure: rot, neutral: lila, Lauge: blau)
2. Universalindikator (Säure: rot, neutral: grün, Lauge: blau)
3. Rotkohlsaft (Säure: rot, neutral: lila, Lauge: grün)

Chemische Zusammensetzung - wie erkenne ich Säuren?

Säuren sind anhand ihres chemischen Aufbaus gut erkennbar. Sie bestehen aus 1 oder mehreren H⁺ und einem stets negativ geladenen Säurerest SR^-. Der Säurerest kann alles Mögliche sein, H⁺ sind aber immer vorhanden und stehen in der Molekülformel vorn. 

MERKE:

Säuren bestehen aus Wasserstoff-Kation(en) und Säurerest-Anion(en).

Eigenschaften von Säuren

Säuren färben Indikatoren.

Wässrige Lösungen von Säuren können den elektrischen Strom leiten, da sie in positiv und negativ geladene Teilchen (Ionen) zerfallen und diese Ionen dann im Wasser frei beweglich sind. Diese beiden Voraussetzungen gibt es, damit elektrischer Strom fließen kann - immer! Die unterschiedlichen Ionen fließen an einer Spannungsquelle jeweils zum entgegengesetzten Pol, da sich gegensätzliche Ladungen eben immer anziehen.

Säuren sind ätzend. Das heißt, sie können unedle Metalle, Kalk und organische Stoffe zersetzen.

Sie sind sauer (daher der Name) und ätzend - aber nicht alle gleich stark und nicht auf jedem Material.

Starke und schwache Säuren

Man erkennt starke und schwache Säuren an der Vollständigkeit, mit der sie in Wasser dissoziieren - je mehr Säuremoleküle beim Lösen in Wasser in ihre Ionen zerfallen, desto stärker ist die Säure!

Beispiele:

Oft sind organische Säuren, wie Zitronensäure, Essigsäure, Ascorbinsäure (Vitamin C) eher schwache Säuren.

Anorganische Säuren, wie Phosphorsäure, Salzsäure oder Flusssäure, sind oft starke Säuren.

Herstellung von Säuren

Säuren entstehen, wenn Wasser mit Nichtmetallen oder Nichtmetall-Sauerstoff-Verbindungen (= Nichtmetalloxide) reagiert.

Das passiert auch, wenn giftige Abgase aus Verkehr oder Industrie in die Luft gelangen, denn in der Luft gibt es jede Menge Wassermoleküle in Form von Wasserdampf. Wir kennen das als Luftfeuchtigkeit. So entsteht der Saure Regen.

Ich zeige dir hier ein zwei Reaktionen, die zu Säuren führen:

H₂O + CO₂ ⟶ H₂CO₃

H₂O + SO₂ ⟶ H₂SO₃

Laugen sind so etwas wie der Gegenpol zu den Säuren. Sie sind ebenfalls ätzend und leiten Strom, zeigen aber mit denselben Indikatoren andere Farben an. Ihr pH-Wert unterscheidet sich von denen der Säuren und sie sind auch anders aufgebaut. 

Reaktionen von Laugen und Säuren führen zur Neutralisierung der ätzenden Wirkung und verändern den pH-Wert beider in Richtung neutralem Stoff. Wie das geht, dazu später mehr. Zunächst will ich dir mal erzählen, was Laugen sind und wie man sie erkennt.

Chemische Zusammensetzung - wie erkenne ich Laugen?

Laugen sind anhand ihres chemischen Aufbaus gut erkennbar. Sie bestehen aus 1 oder mehreren OH^- und einem stets positiv geladenen Metall-Ion Me⁺. Die Metall-Ionen können alle Metalle des PSE sein, OH^- sind aber immer vorhanden und stehen in der Molekülformel als negativ geladene Teilchen hinten. Wenn es mehr als eine OH-Gruppe im Molekül gibt, wird die OH-Gruppe in Klammern gesetzt und die Anzahl als kleine Indexzahl unten rechts hinter die Klammer geschrieben, z.B.:.

NaOH - hier gibt es nur eine OH-Gruppe

Mg(OH)₂ - hier gibt es 2 OH-Gruppen im Molekül oder

Al(OH)₃ - hier gibt es 3 OH-Gruppen im Molekül 

MERKE:

Laugen bestehen aus Metall-Kation(en) und Hydroxid-Anion(en).

Eigenschaften von Laugen

Laugen färben Indikatoren.

Wässrige Lösungen von Laugen können den elektrischen Strom leiten, da sie in positiv und negativ geladene Teilchen (Ionen) zerfallen und diese Ionen dann im Wasser frei beweglich sind. 

Laugen sind ätzend. Das heißt, sie können Lacke und Farben und andere Stoffe zersetzen. Daher nimmt man sie gern zum sogenannten "Ablaugen": Man entfernt Farb- und Lackreste auf Gegenständen damit. Natronlauge (NaOH) hat aber z.B. auch bei der Herstellung von Seifen oder in der Backstube für die Produktion von Laugengebäck eine Bedeutung.

Da Laugen viel ätzender auf unsere Haut wirken als Säuren, muss man daher im Umgang mit ihnen gut aufpassen und Schutzbrille und Schutzkleidung und Handschuhe tragen.

Sie sind basisch (daher der Name, auch alkalisch ist ein Wort für diese Eigenschaft) und ätzend - aber nicht alle gleich stark und nicht auf jedem Material.

Laugen fühlen sich auf der Haut seifig an. Seife bildet tatsächlich in Wasser eine Lauge. 

Starke und schwache Laugen

Man erkennt starke und schwache Laugen an der Vollständigkeit, mit der sie in Wasser dissoziieren - je mehr Laugenmoleküle beim Lösen in Wasser in ihre Ionen zerfallen, desto stärker ist die Lauge!

Beispiele:

Anorganische Laugen mit Metall-Ionen der Alkali- und Erdalkalimetalle, wie NaOH, KOH oder Mg(OH)₂, sind oft starke Laugen.

Die meisten organischen und andere anorganische Laugen sind meist schwache Laugen.

Herstellung von Laugen

Um Laugen herzustellen, benötigt man ein Metall und Wasser. Sehr reaktionsfreudig sind beispielsweise die Alkalimetalle. Sie reagieren nahezu sofort und vollständig mit Wasser zu einer Lauge. Erdalkalimetalle sind nicht ganz so reaktionsfreudig, die Reaktionen laufen nicht so schnell ab wie bei den Alkalimetallen, aber sie laufen ab.

Dabei entsteht immer gasförmiges Wasserstoff (in der Reaktionsgleichung sieht das dann so aus: H₂↑).

Eine Reaktionsgleichung zur Bildung von Laugen aus Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen sieht so aus:

für Alkalimetalle:

2 Na + 2 H₂O ⟶ 2 NaOH + H₂↑

2 K + 2 H₂O ⟶ 2 KOH + H₂↑

für Erdalkalimetalle:

Mg + 2 H₂O ⟶ Mg(OH)₂ + H₂↑

Ca + 2 H₂O ⟶ Ca(OH)₂ + H₂↑

Neutralisationsreaktionen

Wie ich oben schon erwähnt habe, kann man Säuren und Laugen miteinander reagieren lassen, sodass sie sich neutralisieren. Was am Ende herauskommt, ist ein Salz und Wasser:

Säure + Lauge ⟶ Salz + Wasser

Na(OH) + HCl ⟶ NaCl + H₂O

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ ⟶ CaSO₄ + H₂O

Wenn man hier einen Indikator nutzt, um den pH-Wert zu bestimmen, sieht man, wie sich die Farbe des Indikators in Richtung neutral verändert.

Salz und Wasser haben einen neutralen pH-Wert - sie sind weder sauer noch basisch.

Und hier sind wir schon beim Thema Salze. Nur kurz zur Erklärung, was ein Salz ist:

Salze bestehen aus Metall-Kation(en) und Säurerest-Anion(en).

Quiz zu den Säuren und Laugen mit Fragen, die in der mündlichen Prüfung schon gestellt wurden