Chemie + Biologie = Wissen
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Biologie und Chemie für Schülerinnen und Schüler am Gymnasium
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Jahrgangsstufe 8
5. Säuren sind nicht nur ätzend!
Säuren und ihre Bedeutung im täglichen Leben
- Sauer macht lustig
- Der tägliche Umgang mit sauren Lösungen
- Nachweis von sauren Lösungen
- Wichtige Säuren in der Industrie
Wenn man in den "sauren Apfel" beißen muss, dann kann das bedeuten, dass man eine unangenehme Aufgabe zu erledigen hat. Wenn jemand eine "saure Mine" aufsetzt, oder einfach sauer ist, dann ist derjenige alles andere als fröhlich, dann meint man, ihn hätte etwas geärgert. Und nicht zuletzt kennt jeder den Spruch: "Sauer macht lustig".
Auf diese Weise sorgt die Chemie für manches geflügelte Wort. Zitronensaft schmeckt sehr sauer. Schon der Gedanke an eine Zitrone oder der Anblick des Saftes einer Zitrone lässt uns "das Wasser im Munde zusammenlaufen". Schau auf die Zitrone im Bild links. Dann spürst du das "Wasser im Munde".
Schon im Alltag erkennt man also saure Lösungen an ihrem sauren Geschmack. Denken wir nicht nur an Zitronensaft, sondern auch an die Säfte anderer Leckereien wie saure Drops, saure Gurken, Speisewürze wie Essig.
Für den Chemiker spielt der Geschmack keine Rolle. Im Labor darf nicht gekostet werden! Die wichtigsten Säuren der Chemiker und der chemischen Industrie sind die Salzsäure, der Chemiker nennt sie die Chlorwasserstoffsäure mit der Formel HCl, und die Schwefelsäure mit der Formel H2SO4. Die Salzsäure findet sich auch im menschlichen Magensaft mit einem Anteil von 0,15 bis 0,2%. Dort fördert sie die Verdauung und hemmt das Wachstum schädlicher Bakterien. Überschüssige Salzsäure im Magen ruft allerdings das Sodbrennen hervor.
Schwefelsäure wird in der chemischen Industrie hergestellt, um sie weiter zu verarbeiten. Eine der wichtigsten Verwendungen der Schwefelsäure ist die Herstellung von Düngemitteln. Sie wird aber auch als Akkumulatorsäure (Autobatterie), aber auch bei der Metallaufarbeitung als Beizmittel (darunter versteht man das Entfernen von Oxidschichten) verwendet.
Aber dazu später mehr. (Abschnitt 4: "Wichtige Säuren in der Industrie").
2. Der tägliche Umgang mit sauren Lösungen
Schau Dich mal in Eurer Küche um! Überall findest Du Säuren und auch Hinweise zum Umgang mit ihnen.
Da haben wir zum Beispiel den Entkalker für Kaffeemaschinen. Er enthält Zitronensäure. Aber auch viele Reinigungsmittel, wie Sanitärreiniger enthalten Säuren. Im Küchenschrank steht der Speiseessig. Auf dem Küchentisch liegen die Zitronen, die Äpfel. Im Schrank steht ein Glas mit sauren Gurken, Sauerkraut oder sauren Fischen.
Wer beim Umgang mit sauren Lösungen im Haushalt einige Regeln beachtet, dem kann nichts passieren.
Nehmen wir den Speiseessig. Normaler Speiseessig enthält etwa 5% Essigsäure und hat keine gesundheitsschädigende Wirkung. Anders bei Essigessenz, die enthält 25 % Essigsäure. Die Essenz ist demzufolge ätzend und sollte nur stark verdünnt eingesetzt werden! Also nur ein bis zwei Spritzer von Essigessenz an die Speise geben. Essigessenz kann auch als Reinigungsmittel verwendet werden. Einige Hausfrauen benutzen sie als Zusatz im Wasser zum Fenster putzen. Hier auch nur wenige Spritzer verwenden!
Essig ist übrigens auch ein Konservierungsmittel. So haben die Menschen bestimmte Lebensmittel in Essig eingelegt, um dem Verderb vorzubeugen. Auf diese Art entstanden die sauren Gurken, oder die eingelegten sauren Fische. Sauerkraut hingegen wird durch Essigsäuregärung aus Weißkraut hergestellt. Bei diesem Gärungsprozess entsteht Essig, der das Kraut dann vor Fäulnis schützt. Wenn man Weißwein, wie links im Bild zu sehen ist längere Zeit ohne Kühlung offen stehen lässt, dann entsteht daraus Essig.
Übrigens trinken wir auch saure Lösungen. Ich denke an das kohlensäurehaltige Mineralwasser, aber auch an Cola, Limonade oder Fruchtsaft - alle Getränke enthalten Kohlensäure, die übrigens in der Flüssigkeit in Kohlenstoffdioxid und Wasser zerfällt und deshalb diese Gasblasen im Getränk hervorruft. Dieser Vorgang läuft unter Druckverringerung und bei Erwärmung (wenn die Flasche geöffnet wird) besonders gut ab.
Gehen wir zu den säurehaltigen Haushaltchemikalien über. Nehmen wir die Reinigungsmittel für das WC, das Bad oder die Küche. Hast Du Dir schon einmal die Hinweise auf der Rückseite einer Flasche WC-Reiniger durchgelesen? Neben dem Gefahrstoffsymbol für "Reizend", das ist ein fett gedrucktes X, finden sich einige Hinweise zum Umgang mit diesem "reizenden" Reinigungsmittel:
- Reizt die Augen und die Haut
- Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen
- Berührung mit den Augen und der Haut vermeiden
- Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren
- Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen
- Nicht vermischen mit chlorhaltigen Reinigern
Diese Ratschläge zu beachten, wenn man mit solchen Reinigungsmitteln arbeitet, ist nicht schwer. Dann kann einem auch nichts passieren.
3. Nachweis von sauren Lösungen
Unsere Zunge kann kein Nachweismittel für saure Lösungen sein. Im Labor hat der Geschmackstest nichts zu suchen! Deshalb haben die Chemiker Stoffe gesucht, die anzeigen, ob eine Lösung eine saure ist. Für den Nachweis von sauren Lösungen eignen sich Indikatoren. Das Wort "Indikator" kommt aus dem lateinischen: indicare = "anzeigen". Indikatoren sind allgemein Hilfsmittel, die gewisse Informationen anzeigen sollen. In unserem Fall sollen sie anzeigen, dass eine Lösung sauer ist.
Hast Du schon einem zugeschaut, wenn in der Küche Rotkraut zubereitet wird? Die Köchin setzt dem Rotkraut saure Äpfel und einen Schuss Essig zu. Dadurch färbt sich dieses leckere Gemüse rot. Rotkrautsaft ist ein Indikator: mit Essig färbt er sich rot, ohne Essig bleibt er blau. (Deshalb heißt Rotkraut auch in einigen Gegenden "Blaukraut".)
Nachfolgend kannst Du eine Beschreibung von einem Versuch lesen, den Du zu Hause selbst einmal ausprobieren kannst!
Du benötigst: ein Blatt vom frischen Rotkraut, Speiseessig, etwas Wasser, einen Topf, ein Küchenmesser, ein Küchenbrett, zwei Glasschälchen
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1. Zunächst benötigst Du ein Blatt von einem frischen Rotkraut. Dieses Blatt schneidest Du mit einem Küchenmesser auf einem Küchenbrett etwas klein. Auf dem Bild siehst Du das klein geschnittene Rotkrautblatt. |
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2. Danach gibst Du die klein geschnittenen Blattstückchen in einen Kochtopf mit etwas Wasser. Diesen Kochtopf stellst Du auf den Herd. |
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3. Bringe nun das Wasser mit den klein geschnittenen Rotkrautblättern zum Kochen. Sobald das Wasser kocht, schaltst Du den Herd ab und lässt das Ganze noch eine Weile stehen. Am besten, Du legst den Deckel auf den Topf, damit die Flüssigkeit nicht so sehr verdampft. |
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4. Nach einer Weile siehst Du, wie auf dem Bild, dass sich das Wasser blau gefärbt hat. Die Rotkrautblätter sind etwas heller geworden. Lass nun den Topf abkühlen. |
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5. Die Flüssigkeit verteilst Du nun auf zwei Schälchen. Die Flüssigkeit des einen Schälchens dient zum Versuch, die Flüssigkeit des anderen Schälchens dient zum Vergleich. |
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6. Nun gibst Du in eins der beiden Schälchen zum Rotkrautsaft etwas Speiseessig. Warte jetzt etwa drei Sekunden. Im Bild siehst Du, wie der Essig in das rechte Schälchen getropft wird. |
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7. Und siehe da: Der Rotkohlsaft mit dem Essig hat sich rot gefärbt! Du siehst im linken Schälchen den blauen Rotkohlsaft zum Vergleich mit dem, im rechten Schälchen befindlichen, rot gefärbten Rotkohlsaft. Der Rotkohlsaft ist ein natürlicher Indikator. Der Chemiker formuliert so: "Der Indikator zeigt einen Farbumschlag nach rot." Probiere den Versuch auch mit anderen Säuren (Zitronensäure zum Beispiel) aus! |
Nun waren wir beim Haushalt, machen wir einen Gedankensprung zum Labor. Dort benutzt der Chemiker Indikatoren wie Lackmus, Bromthymolblau, Methylorange, aber auch Unitestlösung oder Unitestpapier. Jeder Indikator zeigt eine charakteristische Farbänderung in sauren Lösungen.
Warum kann der Indikator seine Farbe wechseln?
Hier findest Du eine wissenschaftliche Erklärung:
Die Teilchen (Moleküle) aus denen die Säure-Base-Indikatoren bestehen, sind selbst schwache Säuren (oder Basen), das allgemeine chemische Zeichen ist: HInd. Diese Säure HInd kann Wasserstoff-Ionen oder Protonen (chemisches Zeichen: H+) an ein Wasser-Molekül (H2O) abgeben. Nach Abgabe eines Protons (H+) bleibt Ind-, die so genannte korrespondierende Indikatorbase, zurück. Aus dem Wasser-Molekül (H2O) entsteht das Oxonium-Ion (H3O+). Die folgende chemische Gleichung zeigt uns die chemische Reaktion deutlich. Diese chemische Reaktion ist umkehrbar, das heißt aus der Indikatorsäure (HInd) kann die Indikatorbase (Ind-) gebildet werden und umgekehrt.
Das Indikator-Molekül (also die Indikatorsäure HInd) kann also ein Proton (H+) abgeben aber auch wieder aufnehmen. Indikatorsäure (HInd) und Indikatorbase (Ind-) haben jeweils verschiedene Farben.
Liegt nun in der zu untersuchenden Lösung eine hohe Konzentration an Oxonium-Ionen (H3O+-Ionen) vor, also in einer sauren Lösung, findet verstärkt die Reaktion nach links statt (Verschiebung des Gleichgewichts auf die linke Seite), wodurch die Konzentration von HInd (Indikatorsäure) größer wird als die Konzentration Ind- (Indikatorbase). Der Indikator zeigt also die Farbe der Indikatorsäure (HInd).
Andere Lösungen haben vielleicht eine sehr geringen Konzentration an Oxonium-Ionen, H3O+-Ionen (also in einer alkalischen Lösung). Dann findet verstärkt die Reaktion nach rechts statt (Verschiebung des Gleichgewichts auf die rechte Seite), wodurch die Konzentration von Ind-, also die der Indikatorbase, größer wird als die Konzentration HInd, also die der Indikatorsäure. In einer solchen Lösung (basische Lösung) zeigt dann der Indikator die Farbe seiner Indikatorbase.
Demnach ist die Farbe, die der Indikator in der Lösung zeigt, abhängig von der Konzentration der Oxonium-Ionen in der Lösung. Dadurch wird das chemische Gleichgewicht zwischen Indikatorsäure und Indikatorbase verschoben.
4. Wichtige Säuren in der Industrie
Hier bekommst Du einige Informationen über vier wichtige Säuren, die industriell hergestellt werden. Säuren werden vielseitig verwendet. Nachfolgend erfährst Du einige Verwendungsmöglichkeiten der ausgewählten Säuren.
Salzsäure
Formel: HCl
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Ihren Namen hat die Salzsäure aus dem lateinischen: spiritus sali. Das heißt soviel wie: "Salzgeistlösung". Früher hat man aus Steinsalz (Steinsalz besteht zum Großteil aus Natriumchlorid, das ist unser Kochsalz) und Schwefelsäure den "Salzgeist", den Chlorwasserstoff (das ist ein Gas) ausgetrieben. Dieses Gas Chlorwasserstoff hat man in Wasser gelöst und so die Salzsäure gewonnen. Heute wird die Salzsäure aus Chlor, Wasserstoff und Wasser gewonnen. |
Salzsäure ist eine anorganische Säure und eine der wichtigsten Grundchemikalien in der chemischen Industrie. Sie wird bei der Aufarbeitung von Erzen eingesetzt.
Mit ihrer Hilfe können Calciumcarbonat-Anlagerungen an Werkzeugen entfernt und Reinigungen durchgeführt werden. Dabei reagiert die Salzsäure chemisch mit dem Kalk unter Bildung von Kohlenstoffdioxidgas.
In der Metallverarbeitung wird die Salzsäure beim Beizen, Ätzen und Löten eingesetzt. Außerdem wird verdünnte Salzsäure im Bauwesen zum Entfernen der Mörtelreste am Mauerwerk benutzt - das nennt man "Absäuern".
Salzsäure ist nicht zuletzt ein wichtiges Reagenz in der chemischen Analyse. Sie reagiert zum Beispiel mit unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoff.
Schwefelsäure
Formel: H2SO4
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Schwefelsäure kommt im Magensaft bestimmter Schneckenarten und im sauren Regen vor. Schwefelsäure ist ebenfalls eine wichtige Grundchemikalie der Industrie. Sie wird zur Herstellung von Düngemitteln (Blumendünger, siehe Bild links) verwendet. Man benötigt sie zur Herstellung von Kunstseide, Arzneimitteln, Farbstoffen und Waschmitteln. |
Da zahlreiche Erze in Schwefelsäure löslich sind, wird sie als Aufschlussmittel eingesetzt. So wird mittels Schwefelsöure aus Zinkoxid Zink hergestellt.
Schwefelsäure ist die Akkumulatorsäure im Bleiakkumulator (Autobatterie). Ebenso wie im Bleiakkumulator dient verdünnte Schwefelsäure auch in elektrolytischen Prozessen als Elektrolyt. Verdünnte Schwefelsäure zeigt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, so dass sie zum Beispiel bei der elektrolytischen Zerlegung von Wasser (Wasser wird mittels Gleichstrom in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt) eingesetzt wird.
Im chemischen Labor zählt Schwefelsäure zu den am häufigsten benutzten Chemikalien. Neben Salzsäure und Salpetersäure ist sie eine viel verwendete starke Säure. Sie wird zum Beispiel zur Einstellung des pH-Wertes oder als Katalysator eingesetzt. Schwefelsäure zeigt eine stark Wasser anziehende Wirkung. Deshalb kann sie für chemische Reaktionen, bei denen Wasser entsteht, zum Beispiel bei einer Veresterung, oder zur Trocknung von organischen Substanzen und Gasen zum Beispiel in Exsikkatoren (das ist ein Laborgerät zum Trocknen von Gasen) verwendet werden.
Salpetersäure
Formel: HNO3
Der Name "Salpeter" kommt aus dem lateinischen: sal petrae. Das bedeutet: "Felsensalz". Gemeint sind damit die salzartigen Ausblühungen an Felsen und Steinen. Aus diesen Ausblühungen wurde früher Salpetersäure hergestellt.
Salpetersäure kann sich unter Lichteinwirkung zersetzen. Dabei gibt die Salpetersäure Stickstoffdioxid ab, das sich dann in der Säure löst und diese je nach Konzentration gelb bis rot färbt und einen stechenden Geruch verursacht.
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Salpetersäure wird heute verwendet zur Herstellung von Stickstoffdüngemitteln. Düngemittel enthalten eine Mischung verschiedener Salze, die aus ihren Säuren hergestellt werden. So enthält der Blumendünger auch Nitrat, ein Salz der Salpetersäure. Salpetersäure dient auch zur Herstellung von Farbstoffen, aber auch von Explosivstoffen (Trinitrotoluol - TNT). |
Im chemischen Labor wird konzentrierte Salpetersäure als Nachweismittel für Eiweiße verwendet. Dabei wird auf den zu untersuchenden Stoff die Salpetersäure getropft. Wenn eine Gelbfärbung auftritt, dann enthielt der zu untersuchende Stoff Eiweiß. Diese Nachweisreaktion wird als Xanthoproteinreaktion bezeichnet.
Phosphorsäure
Formel: H3PO4
In reiner Form bildet Phosphorsäure farblose Kristalle. Die Schmelztemperatur liegt bei 42,35°C. Der Chemiker benutzt Phosphorsäurelösung, das ist eine sirupartige Flüssigkeit.
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Phosphorsäure wird ebenfalls verwendet zur Herstellung von Düngemitteln (Phosphate). Da Phosphorsäure sehr rein ist, kann sie in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Sie wird zum Beispiel zur Herstellung von Getränken genutzt. So ist in Cola-Getränken diese Säure enthalten. (Zum Beispiel in der, die Du im Bild links siehst). Schau mal auf das Etikett, bevor Du Cola trinkst. Außerdem ist Phosphorsäure in Rostumwandlern enthalten. Wenn eine Eisenoberfläche verrostet ist, so gibt man den Phosphorsäure enthaltenden Rostumwandler auf die Roststelle. Der Rostumwandler regiert mit dem Rost und bildet eine Phosphatschicht. Diese dient dann als Haftgrund für die nachfolgend aufzutragende Farbschicht. |