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Säure einfach erklärt: Protonen, pH und Stärke
Eine Säure kann ein Proton abgeben. In Wasser entstehen dabei Oxoniumionen $\mathrm{H_3O^+}$; deshalb reagiert die Lösung sauer und ihr pH-Wert sinkt.
Du lernst, Säuren in Reaktionsgleichungen zu erkennen, korrespondierende Säure-Base-Paare zuzuordnen und Säurestärke, Konzentration und pH-Wert auseinanderzuhalten.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie gibt eine Säure ein Proton ab?
Ein Proton ist hier ein Wasserstoffion $\mathrm{H^+}$. Es wird nicht allein übertragen: Ein anderes Teilchen muss es aufnehmen.
Brønsted-Säure
Eine Brønsted-Säure ist ein Protonendonator. Sie gibt ein Proton ab. Eine Brønsted-Base ist ein Protonenakzeptor und nimmt das Proton auf.
Chlorwasserstoff überträgt in Wasser ein Proton auf ein Wassermolekül:
$$\mathrm{HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-}$$
Dabei ist $\mathrm{HCl}$ die Säure und $\mathrm{H_2O}$ die Base. Nach der Übertragung bleiben $\mathrm{Cl^-}$ und $\mathrm{H_3O^+}$ zurück.
Teilchen, die sich nur um ein Proton unterscheiden, bilden ein korrespondierendes Säure-Base-Paar:
- $\mathrm{HCl/Cl^-}$
- $\mathrm{H_3O^+/H_2O}$
Suche zuerst das übertragene Proton. Das Teilchen vor der Abgabe ist die Säure; das Teilchen vor der Aufnahme ist die Base.
Was ist der Unterschied zwischen Säure und saurer Lösung?
Eine Säure kann ein fester, flüssiger oder gasförmiger Reinstoff sein. Erst wenn sie mit einem geeigneten Partner reagiert, gibt sie ein Proton ab.
Eine saure Lösung ist dagegen eine Lösung mit erhöhter Oxoniumionenkonzentration. Gasförmiger Chlorwasserstoff bildet beispielsweise mit Wasser Salzsäure. Salzsäure ist also die wässrige Lösung und nicht der reine Stoff Chlorwasserstoff.
Bei Essigsäure überträgt nur ein Teil der Säureteilchen ein Proton auf Wasser:
$$\mathrm{CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+}$$
Essigsäure und Acetat bilden ein korrespondierendes Paar. Oxoniumion und Wasser bilden das zweite Paar.
Wasser kann je nach Reaktionspartner ein Proton aufnehmen oder abgeben. Ein solches Teilchen heißt Ampholyt.
Was sagt der pH-Wert aus?
Der pH-Wert beschreibt die Oxoniumionenkonzentration einer wässrigen Lösung:
$$\mathrm{pH}=-\log_{10} c(\mathrm{H_3O^+})$$
Dabei steht $c$ für die Konzentration, meist in $\mathrm{mol/L}$. In der üblichen schulischen Einteilung gilt:
- pH unter 7: sauer
- pH 7: neutral
- pH über 7: basisch
Die Skala ist logarithmisch. Eine pH-Stufe bedeutet deshalb einen Konzentrationsfaktor von 10.
Lösung A hat pH 3, Lösung B pH 1. B liegt zwei pH-Stufen tiefer.
$$10^2=100$$
Die Oxoniumionenkonzentration ist in Lösung B daher 100-mal so hoch wie in Lösung A.
Je kleiner der pH-Wert, desto höher ist die Oxoniumionenkonzentration. Zwei pH-Stufen Unterschied entsprechen dem Faktor 100.
Warum sind Stärke und Konzentration nicht dasselbe?
Die Säurestärke beschreibt, wie leicht eine Säure ein Proton abgibt. Die Konzentration beschreibt dagegen, wie viel Säure in einem bestimmten Lösungsvolumen enthalten ist.
Bei einer starken Säure überträgt in Wasser ein sehr großer Anteil der Säureteilchen jeweils ein Proton. Bei einer schwachen Säure bleibt ein größerer Anteil der Säureteilchen unverändert. Das wird durch die Lage des Gleichgewichts sichtbar:
$$\mathrm{HA + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+}$$
- starke Säure: Gleichgewicht weit auf der Produktseite
- schwache Säure: größerer Anteil auf der Eduktseite
Der pH-Wert allein zeigt die Säurestärke nicht sicher. Er hängt auch von der Konzentration ab. Eine verdünnte starke Säure kann deshalb einen höheren pH-Wert haben als eine konzentrierte schwache Säure.
Auch die Ätzwirkung reicht nicht aus, um die Säurestärke zu bestimmen. Sie hängt unter anderem von Säureart und Konzentration ab.
Wie geben mehrprotonige Säuren Protonen ab?
Eine mehrprotonige Säure kann mehrere Protonen nacheinander abgeben. Jede Abgabe ist eine eigene Protolysestufe.
Schwefelsäure ist zweiprotonig. Die beiden Stufen lauten:
$$\mathrm{H_2SO_4 + H_2O \rightleftharpoons HSO_4^- + H_3O^+}$$
$$\mathrm{HSO_4^- + H_2O \rightleftharpoons SO_4^{2-} + H_3O^+}$$
Nach der ersten Stufe entsteht Hydrogensulfat. Nach der zweiten Stufe entsteht Sulfat. Mit jeder Protonenabgabe wird der Säurerest um eine negative Ladung reicher.
Die Protolysestufen sind nicht gleich stark. Üblicherweise lässt sich das erste Proton leichter abgeben als das folgende.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Eine einprotonige Säure kann pro Teilchen Proton abgeben. Schwefelsäure ist . Nach ihrer ersten Protonenabgabe entsteht ; nach der zweiten entsteht .
Wie reagieren Säuren, und wie arbeitest du sicher?
Saure Lösungen enthalten bewegliche Ionen und leiten daher elektrischen Strom. Sie können unedle Metalle unter Bildung von Wasserstoff angreifen und Kalk lösen.
Bei einer Neutralisation reagieren Oxoniumionen mit Hydroxidionen zu Wasser:
$$\mathrm{H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O}$$
Mischt man eine Säure und eine Lauge in passenden Stoffmengen, entstehen auf Stoffebene Wasser und ein Salz. Die Reaktion kann erhebliche Wärme freisetzen.
Beim Verdünnen konzentrierter Säure wird viel Wärme frei. Gib deshalb die Säure langsam in das Wasser: Zuerst das Wasser, dann die Säure. Trage eine Schutzbrille und befolge die Sicherheitsanweisungen.
Du darfst eine unbekannte Flüssigkeit niemals durch Probieren untersuchen. Ein pH-Meter oder ein geeigneter Indikator liefert einen sicheren pH-Befund, wenn die Versuchsanleitung dies vorsieht.
Vertiefung: Wie beschreibt der pKS-Wert die Säurestärke?
Für das Gleichgewicht einer einprotonigen Säure gilt:
$$K_\mathrm{S}=\frac{c(\mathrm{H_3O^+})\,c(\mathrm{A^-})}{c(\mathrm{HA})}$$
$K_\mathrm{S}$ ist die Säurekonstante. Ein großes $K_\mathrm{S}$ zeigt, dass im Gleichgewicht vergleichsweise viele Produkte vorliegen.
Häufig verwendet man den $pK_\mathrm{S}$-Wert:
$$pK_\mathrm{S}=-\log K_\mathrm{S}$$
Wegen des Minuszeichens vor dem Logarithmus gilt:
Je kleiner der $pK_\mathrm{S}$-Wert, desto stärker ist die Säure.
Feste Grenzwerte für Bezeichnungen wie „stark“ oder „mittelstark“ können je nach Einteilung verschieden sein. Der sichere Vergleich lautet daher: Die Säure mit dem kleineren $pK_\mathrm{S}$-Wert ist stärker.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Säure
- gibt Protonen ab
- braucht einen Protonenakzeptor
- bildet in Wasser Oxoniumionen
- gehört zu einer korrespondierenden Base
- besitzt eine stoffeigene Säurestärke
- ist von Konzentration und pH-Wert zu unterscheiden
- kann mehrere Protonen stufenweise abgeben
- erfordert sicheres Arbeiten
Abschluss-Check
Prüfe zum Schluss: Kannst du bei einer Reaktionsgleichung das übertragene Proton verfolgen, Säure und Base benennen und die beiden korrespondierenden Paare markieren? Dann beherrschst du die Kernidee des Brønsted-Modells.