Arbeitsblatt: Einige anorganische Säuren und Basen

Säuren und Basen 1 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, oder Schwefelsäure sind meist verdünnte Lösungen der reinen Säuren. Säuren sind auch in vielen Stoffen des Alltags vorhanden. Entkalker enthalten 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. Zu den stärksten Säuren gehören die Salpetersäure, die Salzsäure und die Schwefelsäure. Der Basenbegriff im Alltag Im alltäglichen Sprachgebrauch meint man mit einer Lauge eine Flüssigkeit, die bitter schmeckt oder ätzend wirkt, bzw. andere Stoffe angreift. Doch die ätzende Wirkung trifft auch auf Säuren zu. Eine genaue Unterscheidung ist nur mit Hilfe der Fachsprache möglich, dann spricht der Chemiker aber von einer Base. Doch zunächst soll der alltägliche Begriff der Lauge näher erläutert werden. Laugen finden vor allem als Reinigungs- und Waschmittel Verwendung. Seifen und Waschpulver bilden ebenfalls eine Lauge, wenn sie mit Wasser vermischt werden. Der Bäcker bestreicht die Brezel mit Brezellauge (Natronlauge), bevor er sie bäckt. Die Lauge reagiert beim Backen mit Kohlenstoffdioxid und wird zersetzt, der typische Laugengeschmack bleibt jedoch zurück. Die ätzende Wirkung von konzentrierten Laugen ist noch stärker als die von Säuren. Deshalb können die Beläge alter Schränke mit Laugen abgelaugt werden. Die wässrigen Lösungen von Laugen fühlen sich seifig an. Sie wirken alkalisch und färben Universal-Indikatorlösung blau. 2 Einige wichtige anorganische Säuren und Laugen Salzsäure (HCl Chlorwasserstoff) Im Körper des Menschen kommt die Salzsäure im Magensaft vor. Eigenschaften: Die handelsübliche, 37%-ige Lösung von Chlorwasserstoff in Wasser riecht stark stechend. Das Einatmen der Dämpfe führt zu Lungenentzündung, und die Zähne werden angegriffen. Auf der Haut ruft die konzentrierte Salzsäure Rötung, Blasen und brennende Schmerzen hervor. Beim Trinken entstehen schmerzhafte Verätzungen im Rachen, Speiseröhre und Magen, was tödlich wirken kann. Verwendung: Salzsäure wird zum Reinigen von Kalkrückständen an Fliesen eingesetzt; sie ist ein wichtiger Stoff für Laborversuche und Zwischenprodukt zur Herstellung zahlreicher Stoffe, wie die Chloride und organische Chlorverbindungen (z.B. PVC); ferner dient sie zum Herauslösen von Metallen bei der Erzaufbereitung, bei der chemischen Analyse zum Auflösen von Proben im Labor, zum Ätzen von Metallen Schwefelsäure (H2SO4) Die Schwefelsäure finden wir im sauren Regen. Eigenschaften: Die konzentrierte Säure zerstört organische Stoffe wie Zucker, Baumwollgewebe oder Haut unter Bildung von schwarzem Kohlenstoff. Im Magen verursacht sie lebensgefährliche Verätzungen. Erbrechen darf nicht ausgelöst werden. Verwendung: Schwefelsäure dient zur Herstellung von Düngemitteln und Explosivstoffen. Zudem ist sie als Rohstoff zur Waschmittelherstellung von großem Nutzen. Wasserstoffperoxid (H2O2) Eigenschaften: Wasserstoffperoxid reizt und verätzt auch in verdünnter Form Augen, Haut und Schleimhäute. Beim Einatmen von Dämpfen können Entzündungen der Schleimhäute bis hin zu einem Lungenödem auftreten. Bei der Aufnahme ins Blut durch Hautresorption oder über den Magen treten Symptome wie Kopfschmerzen, Schwindel, Erbrechen, Durchfall, Krämpfe oder allgemeine Kreislaufstörungen auf. Verwendung: Wasserstoffperoxid wird zur Herstellung von Bleichmitteln in Waschmitteln 3 verwendet; ferner dient es zum Bleichen von Papier, Zellstoff, Holz, Textilien und zum Blondieren von Haaren. Phosphorsäure (H3PO4) Eigenschaften: Konzentrierte Phosphorsäure ist keine so starke Säure wie konzentrierte Schwefelsäure. Mit Ausnahme ihrer ätzenden Wirkung sind keine gefährlichen Gesundheitsschäden beim Kontakt mit Phosporsäure zu erwarten, der menschliche Körper enthält selbst Phosphorsäure und ihre verwandten Verbindungen. Verwendung: Die Phosphorsäure dient zur Herstellung von Düngemitteln, als Reinigungsmittel, sowie zum Säuern von Softdrinks (z.B. Coca Cola). Blausäure (HCN) Eigenschaften: Blausäure ist in reinem Zustand eine farblose, nach Bittermandeln oder marzipanartig riechende Flüssigkeit. Sie ist auch unter dem Namen Cyanwasserstoff und im Handel als Zyklon B bekannt. In der Natur kommt die Blausäure in bitteren Mandeln oder in einigen Pflanzen wie die Akelei in geringen Mengen vor. Daher wird die Akelei von Weidvieh gemieden. Da die Flüssigkeit bereits bei Zimmertemperatur verdunstet, werden die Dämpfe leicht eingeatmet oder durch die Haut aufgenommen. Blausäure blockiert in den Zellen die Zellatmung. Bei einer Vergiftung können die Zellen den lebensnotwendigen Sauerstoff nicht mehr verwerten. Dabei verfärbt sich die Haut hellrot. Verwendung: Die Blausäure wurde früher oft in Schiffen, Mühlen und Vorratsspeichern als Begasungsmittel gegen Ungeziefer eingesetzt. In der Vergangenheit hat es zahlreiche Unfälle mit Blausäure gegeben. Das schlimmste Kapitel schrieb der tödliche Stoff in den nationalsozialistischen Vernichtungslagern. Im Holocaust wurden Millionen von Juden durch das Gas Zyklon B vergiftet. In einigen Staaten der USA wird Blausäure noch heute in den Gaskammern zur Vollstreckung der Todesstrafe eingesetzt. [Kohlensäure (H2CO3)] Natronlauge (NaOH) Eigenschaften: Konzentrierte Natronlauge ist eine sehr starke Lauge, die die Haut verätzt und Augenschäden verursachen kann. Beim Beizen oder Ablaugen von Holz wird der braune Farbstoff des Holzes zerstört. Auf diese Art und Weise können auch alte Lackschichten abgebeizt und alte Schränke wieder aufgefrischt werden. Verwendung: 4 Natronlauge ist ein bedeutender Rohstoff zur Seifenherstellung. In der Bäckerei besteht die Brezellauge aus ca. 4%-iger Natronlauge. Diese Lauge streicht der Bäcker vor dem Backen auf das Laugengebäck. Nach dem Backen entsteht so der typische Laugengeschmack. Kalilauge (KOH): Eigenschaften: Konzentrierte Kalilauge besitzt ähnliche Eigenschaften wie Natronlauge. Sie ist eine sehr starke Lauge, die Haut und Augen verätzt. Verwendung: Bei der Seifenherstellung dient die Kalilauge zur Herstellung von Schmierseife. 5 Säuren und Basen in der chemischen Fachsprache Säuren Nach Svante Arrhenius (schwedischer Naturwissenschaftler 1859-1927) sind Säuren chemische Verbindungen, die in Wasser gelöst in Protonen (Wasserstoffionen H) und Säurerestionen zerfallen (dissoziieren). Der dänische Chemiker Johannes Nicolaus Brönsted (1879-1947) erweiterte diese Definition. Nach Brönsted 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: Die Bildung von Chlorwasserstoff (Salzsäure) Basen Basen nennt Arrhenius chemische Verbindungen, die in Wasser gelöst in Hydroxidionen (OH-) und positive Metallionen zerfallen. Diese Lösungen werden auch als Laugen bezeichnet. Nach der Definition von Brönsted nehmen Basen Protonen auf: Basen sind Protonenempfänger. Das folgende Beispiel zeigt, was passiert, wenn sich die Base Ammoniak im Wasser löst. Das Ammoniak entzieht dem Wassermolekül ein positiv geladenes Proton und wird zu einem positiv geladenem Ammonium-Ion (NH4-Ion). Übrig bleibt ein Hydroxid-Ion (OH--Ion). Die Bildung von Ammoniaklösung (Salmiakgeist) 6 Neutralisation Werden Säuren und Basen zusammengegeben, so bilden sich aus den Hydroxidionen (OH-) und aus den Wasserstoffionen (H) Wassermoleküle. Gibt man zu einer bestimmten Menge Säure gerade so viel Lauge, dass sowohl die saure als auch die basische Reaktion aufgehoben wird, so bezeichnet man dies als Neutralisation. Erstaunlicherweise erhält man dabei aus zwei stark ätzend wirkenden Stoffen zwei völlig harmlose Stoffe. Beispiel: Salzsäure und Natronlauge reagieren zu zwei Molekülen Wasser, als zweites Reaktionsprodukt entsteht Natriumchlorid. HCl Salzsäure NaOH Natronlauge H2O Wasser NaCl Salz Indikatoren Säure-Basen Indikatoren sind Farbstoffe, die in sauerer Lösung eine andere Farbe zeigen als in alkalischer (basischer) Lösung. Solche Säure-Base-Indikatoren zeigen also an, ob eine wässrige Lösung sauer oder basisch ist. Häufig verwendet man Indikatorpapier. Man taucht einen Streifen davon in die Lösung und beurteilt nach wenigen Sekunden den Farbumschlag. Aufgaben: 1. Gib eine kurze Definition für die Begriffe Säure und Base nach Brönsted. 2. Was ist eine Lauge? 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Was versteht man unter dem Begriff „Neutralisation? Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Bildung von Schwefelsäure? Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Neutralisation von Kaliumlauge mit Schwefelsäure? Wozu wird Wasserstoffperoxid verwendet? Welche Eigenschaften hat die Salzsäure? Was fällt dir zum Stichwort „Zykon ein? Was bedeutet in der Chemie „dissoziieren? 7 pH-Wert Beim Halten von Fischen im Aquarium muss ein bestimmter pH-Wert eingehalten werden. Dabei wird die Konzentration an Säure oder Lauge mit Hilfe eines pH-Streifens gemessen. Messen des pH-Wertes mit einem Teststreifen: Beim pH-Teststreifen handelt es sich um einen auf Papierstreifen aufgetragenen Indikator, der sich um so mehr nach Rot verfärbt, je mehr Säure im Wasser enthalten ist. Bei Laugen verfärbt sich das Papier blau. Die Abstufung der Färbung entspricht einer Skala, die auch als pH-Skala bezeichnet wird: Der Ausgangspunkt der Skala ist neutrales Wasser, das bei 25C immer pH7 besitzt. Werte unterhalb von pH7 zeigen Säuren an, Werte oberhalb von pH7 Laugen, bzw. Alkalien. Je kleiner der pH-Wert, umso stärker ist die vorhandene Säure. Die Skala ist so abgestuft, dass pro Wert die Säurestärke um den Faktor 10 zunimmt. Eine Säure mit dem pH3 ist zehnmal so stark als eine Säure mit dem pH4. 8 Ungefähre pH-Werte von gängigen Stoffen und Chemikalien Salzsäure 35% pH -1 Bier pH 5 Salzsäure 3,5% pH 0 Hautoberfläche pH 5,5 Salzsäure 0,35% pH 1 Mineralwasser pH 6 Magensäure pH 2 Reines Wasser pH 7 Zitronensaft pH 2 Blut pH 7,4 Essigessenz pH 2 Sauberes Seewasser pH 8,3 Essig pH 3 Darmsaft pH 8,3 Coca Cola pH 3 Waschmittellösung pH 10 Wein pH 4 Natronlauge 3% pH 14 Saure Milch pH 4,5 Natronlauge 30% pH 15 pH-Wert im Körper des Menschen: Im menschlichen Körper spielt der pH-Wert eine bedeutende Rolle. Der pH-Wert steht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Aufnahmevermögen des Sauerstoffs im Blut. Das Hämoglobin in den roten Blutkörperchen kann umso mehr Sauerstoff binden, je höher der pH-Wert ist. Der pH-Wert im menschlichen Magen liegt im sauren Bereich. Die Enzyme zur Verdauung funktionieren nur bei bestimmten pH-Werten. Die Hautoberfläche des Menschen besitzt einen ungefähren pH-Wert von 5,5. Dieser natürliche Säureschutzmantel der Haut hemmt das Wachstum von Bakterien und verhindert ihr Eindringen. Die normale Seife liegt mit pH9 im alkalischen Bereich. Beim Waschen mit Seife wird daher die Säure auf der Haut neutralisiert. Sie ist in dieser Zeit einer höheren Infektionsgefahr ausgesetzt. Die Haut benötigt nach jedem Waschen mit Seife 2-3 Stunden, bis der natürliche Säureschutzmantel wieder hergestellt ist. Aus diesem Grunde sollte man Seife nur bei stark verschmutzten Händen einsetzen oder generell eine pHneutrale Seife verwenden. 9 Erweiterte Definition: Der pH-Wert ist genau genommen eine Maßzahl, die angibt, wie hoch die Konzentration an 3O-Ionen [H3O] in einer wässrigen Lösung ist. Sie wird durch den negativ dekadischen Logarithmus der 3OIonen-Konzentration ausgedrückt: pH - log [H3O] Beispiel: In reinem Wasser befinden sich immer 10 -7 mol/l an H3O-Ionen (und auch an OH--Ionen). Dies ergibt sich aus dem Ionenprodukt des Wassers. Wasser selbst wirkt also immer in geringem Umfang als Säure (oder als Base). Diese Eigenschaft wird als Autoprotolyse des Wassers bezeichnet. Nun wird die Konzentration der H3O-Ionen im Wasser in die Gleichung zur Berechnung des pH-Werts eingesetzt: pH - log [10-7] -(-7) 7 Dadurch ergibt sich ein pH-Wert von 7 für Wasser. Der pOH-Wert gibt die Konzentration an OH --Ionen im Wasser an. Für alle Säuren und Laugen lässt sich demnach immer ein pH-Wert und ein pOH-Wert berechnen. Die Summe der beiden Werte ergibt immer 14: pH pOH 14 Die folgende Tabelle zeigt die Beziehung zwischen dem pH-Wert und dem pOH-Wert in Abhängigkeit von der vorliegenden Konzentration: Lösung [H3O] pH-Wert [OH-] pOH-Wert 10 mol/l Säure 10 mol/l -1 10-15 mol/l 15 1 mol/l Säure 1 mol/l 0 10-14 mol/l 14 reines Wasser 10-7 mol/l 7 10-7 mol/l 7 1 mol/l Base 10-14 mol/ 14 1 mol/l 0 10 mol/l Base 10-15 mol/l 15 10 mol/l -1 10