Säuren, Basen und Salze

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Säuren sind Stoffe, die in Wasser $H^+$-Ionen (Protonen) abgeben. Typische Beispiele: Salzsäure ($HCl$), Schwefelsäure ($H_2SO_4$). Der pH-Wert gibt an, wie stark sauer oder basisch eine Lösung ist: $pH < 7$ → sauer, $pH > 7$ → basisisch, $pH = 7$ → neutral.

Basen bilden in Wasser $OH^-$-Ionen (Hydroxid). Beispiele: Natronlauge ($NaOH$), Kalilauge ($KOH$). Basen neutralisieren Säuren.

Salze entstehen bei der Neutralisationsreaktion zwischen einer Säure und einer Base. Beispiel: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$. Das Natriumchlorid ($NaCl$) ist ein Salz.

Säure-Definitionen: Arrhenius und Brønsted-Lowry

Nach Arrhenius ist eine Säure ein Stoff, der in Wasser $H^+$-Ionen bildet. Nach Brønsted-Lowry ist eine Säure ein Protonendonator, während eine Base ein Protonenakzeptor ist. Diese Definition ist allgemeiner, da sie auch auf nicht-wässrige Systeme anwendbar ist.

Starken Säuren geben ihre Protonen fast vollständig ab ($HCl$, $H_2SO_4$, $HNO_3$). Schwache Säuren dissociieren nur teilweise ($CH_3COOH$, organische Säuren). Der Dissoziationsgrad wird durch die Säurekonstante $K_s$ beschrieben: $K_s = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$.

pH-Berechnung mit Konzentration

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration:

$$pH = -\log[H^+]$$

Beispiel 1: Eine Salzsäurelösung hat die Konzentration $c(HCl) = 0,01$ mol/L. Da $HCl$ eine starke Säure ist, dissociiert sie vollständig: $[H^+] = 0,01$ mol/L.

$$pH = -\log(0,01) = -\log(10^{-2}) = 2$$

Die Lösung ist also stark sauer.

Beispiel 2: Eine Natriumhydroxidlauge hat $c(NaOH) = 0,001$ mol/L. Da $NaOH$ eine starke Base ist: $[OH^-] = 0,001$ mol/L. Zuerst berechnen wir $pOH = -\log[OH^-] = 3$, dann $pH = 14 - pOH = 11$.

Fällungsreaktionen und Löslichkeitsprodukt

Wenn Salze miteinander reagieren, kann sich ein schwerlösliches Niederschlag bilden. Das Löslichkeitsprodukt $K_s$ gibt an, wann dies passiert. Für das Gleichgewicht $AB(s) \rightleftharpoons A^+ + B^-$ gilt:

$$K_s = [A^+][B^-]$$

Löslichkeitsregeln für $K_s$ in Wasser:

$K_s > 10^{-3}$: sehr gut löslich
$10^{-3} \geq K_s > 10^{-5}$: gut löslich
$10^{-5} \geq K_s > 10^{-8}$: schwer löslich
$K_s \leq 10^{-8}$: praktisch unlöslich

Salzlöslichkeit in Wasser

Verbindung	Löslichkeit bei 20°C	Löslichkeitsprodukt $K_s$ (mol²/L²)
$NaCl$ (Kochsalz)	sehr gut löslich	nicht anwendbar (stark elektrolytisch)
$AgCl$ (Silberchlorid)	kaum löslich	$1, \times 10^{-10}$
$CaCO_3$ (Calcit)	fast unlöslich	$3,3 \times 10^{-9}$
$PbCl_2$ (Bleichlorid)	schwer löslich	$1,7 \times 10^{-5}$

Alltagsrelevanz

Magensäure: Der menschliche Magen produziert Salzsäure mit einem pH von 1-2. Sie ist für die Proteinverdauung essentiell. Bei Sodbrennen (Reflux) kann die Säure die Speiseröhre schädigen. Antazida (Natriumhydrogencarbonat, Magnesiumhydroxid) neutralisieren überschüssige Säure.

Essig: Haushaltsessig enthält 5-8% Essigsäure ($CH_3COOH$, $pK_s = 4,75$). Er wird zum Reinigen, Konservieren und Würzen verwendet.

Natron (Natriumhydrogencarbonat): Das Backpulver neutralisiert Säuren und setzt $CO_2$ frei: $NaHCO_3 + H^+ \rightarrow Na^+ + H_2O + CO_2\uparrow$. Dies erklärt die Wirkung gegen Sodbrennen und beim Backen (Treibmittel).

Kalksteinablagerungen: In Kaffeemaschinen und Waschmaschinen bildet sich Kalk ($CaCO_3$) durch Reaktion gelöster Calciumhydrogencarbonate bei Erwärmung: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{Wärme} CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$. Entkalker enthalten starke Säuren (Zitronensäure, Salzsäure), die den Kalk auflösen.

Anwendung: Titrationen, Pufferlösungen, Korrosionsschutz.

Übungen

Berechne den pH-Wert einer Lösung von $0,0025$ mol/L $HCl$ (starke Säure, vollständige Dissoziation).
Eine $NaOH$-Lösung hat einen pH-Wert von 12,0. Berechne die Konzentration der Hydroxidionen $[OH^-]$ und der $NaOH$-Lösung (starke Base).
Ordne folgende Säuren nach steigender Stärke und begründe: $CH_3COOH$ ($pK_s = 4,75$), $HCl$ (starke Säure), $H_2CO_3$ ($pK_s = 6,35$), $HNO_3$ (starke Säure).
Bei der Reaktion von $AgNO_3$ mit $NaCl$ fällt ein weißer Niederschlag aus. Formuliere die Reaktionsgleichung, benenne den Niederschlag und gib das Löslichkeitsprodukt $K_s$ an (kurze Recherche oder Schätzung: $K_s(AgCl) \approx 1,8 \times 10^{-10}$).
Natriumhydrogencarbonat ($NaHCO_3$) wird gegen Sodbrennen eingesetzt. Formuliere die Neutralisationsreaktion mit Magensäure ($HCl$) und erkläre, warum dabei $CO_2$ entsteht.