Der Stoff der Säuren sauer macht

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Rauchende Salpetersäure: Nicht die Dämpfe einatmen und immer an die Schutzbrille denken! Bild: W. Oelen [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
Wenn in Filmen oder Serien gefährliche Chemikalien dargestellt werden, sieht man hauptsächlich Säuren. Dort fressen sie sich durch Material, zersetzen Körper oder verunstalten sie dauerhaft. Auch wenn es einige Säuren gibt, vor denen man sich wirklich in Acht nehmen muss, sind die meisten Säuren ziemlich ungefährlich. In meinem Beitrag über Fette habe ich bereits die Fettsäuren erwähnt, die nicht nur harmlos, sondern lebensnotwendig sind. Unser Erbgut – die DNA oder auf deutsch: DNS – heisst nicht umsonst mit vollem Namen „Desoxyribonukleinsäure“, und auch die Aminosäuren – die Bausteine der Eiweiße – sind letztendlich Säuren.

Wenn wir erkältet sind und eine heisse Zitrone zubereiten, nehmen wir neben der Citronensäure auch Ascorbinsäure zu uns, besser bekannt als Vitamin C. Wir kaufen im Supermarkt Essigsäure in verschiedenen Variationen; und wenn wir Cola trinken, nehmen wir sogar kleine Mengen Phosphorsäure zu uns!

Spektakulärer sind natürlich die starken Säuren, wie Salz-, Schwefel- und Salpetersäure oder die Flusssäure, die zuletzt als „Allesfresser“ durch die TV-Serie Breaking Bad bekannt geworden ist. Säuren sind also ein sehr weit gefasster Begriff.

Die Suche nach dem „Sauer“-Stoff

Säuren sind der Menschheit schon seit Jahrtausenden bekannt, aber erst seit dem Mittelalter wurde versucht, zu beschreiben was Säuren eigentlich genau sind. Eine der ältesten Definitionen ist tatsächlich, dass Säuren sauer schmecken – deswegen heissen sie auch so. Wenn man einen Teelöffel Essig kostet oder in eine Zitrone beisst, wird der Zusammenhang schnell klar. Bei manchen Säuren empfiehlt es sich aber dringend, sie nicht zu verkosten!

Der eindeutigere und viel ungefährlichere Nachweis für Säuren ist der Lackmustest (den auch Politiker manchmal zitieren, wenn sie etwas bestimmtes „überprüfen“ wollen). Lackmus ist ein Farbstoff, der von Säuren rot und von Laugen blau gefärbt wird. Das reicht uns Chemikern aber natürlich nicht; wir wollen immer auch die genaue Struktur der Substanzen kennen. Man vermutete schon sehr früh, dass ein bestimmtes Element verantwortlich für die Säureeigenschaften sein muss. Ein Element, das besonders vielversprechend war, heisst deshalb bis heute noch „Sauerstoff“. Der ist auch tatsächlich in den meisten Säuren enthalten, aber nicht in allen. In der Salzsäure (HCl) zum Beispiel nicht. Da gerade die Salzsäure nur aus zwei Elementen besteht (Wasserstoff und Chlor), wurde sehr bald der Wasserstoff als Ursache dafür vermutet, dass bestimmte Substanzen sauer sind.

Säuren dissoziieren, Basen auch

Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius konnte um 1900 erstmals nachweisen, dass Säuren aus Ionen bestehen, die sich in Wasser voneinander lösen; dieser Vorgang wird „Dissoziation“ genannt. Der Wasserstoff in der Salzsäure und anderen Säuren ist also ein Ion (H+), ebenso wie das Chlor (Cl). Arrhenius gelang gleichzeitig auch die erste Definition von Laugen, bzw. Basen – den „Gegenspielern“ der Säuren: Diese geben im Wasser Hydroxid-Ionen (OH) ab.

Nach Arrhenius‘ Definition zerfallen Säuren in Wasser zu Wasserstoff- und Säurerest-Ionen. Basen zerfallen zu Metall- und Hydroxid-Ionen.
Bild: Uta Herbert / pixelio.de
pH-Hautneutrale Seifen erhalten den Säureschutzmantel der Haut. Bild: Uta Herbert / pixelio.de

Diese Beschreibung ermöglichte es auch, die Stärke einer Säure oder Base festzustellen. Eine Säure ist dann besonders stark, wenn viele H+-Ionen freisetzt und eine Base, wenn sie viel OH bildet. Wie hoch Konzentration an H+-Ionen in einer Lösung ist, gibt der pH-Wert an. Der begegnet uns manchmal bei hautfreundlichen Seifen und Waschlotionen, denn unsere Haut hat einen Säureschutzmantel: Wenn eine Handseife „pH-neutral“ oder sogar alkalisch (basisch) ist, dann greift die diesen Schutzmantel an. Besser sind daher Seifen und Lotionen mit dem Aufdruck „pH-hautneutral“, deren Säuregehalt dem unserer Haut entspricht.

Wenn man Salzsäure (HCl) mit der gleichen Menge Natronlauge (NaOH) vermischt, entsteht also zu gleichen Teilen H+ und OH. Zusammengefasst ist das H2O, also Wasser. Die Reste der Säure (Cl) und der Lauge (Na+) sind ebenfalls gelöst. Verdampft man das Wasser, bleiben sie als Kochsalz (NaCl) zurück. Salze kann man also als Säuren ansehen, die mit einer Lauge neutralisiert wurden, oder umgekehrt. Weil die Laugen und ihr Wechselspiel mit den Säuren so bedeutend ist, ist der Name „Base“ inzwischen gebräuchlicher: man kann sie als die „Basis“ sehen, die aus Säuren deren Salze entstehen lässt.

Mit seiner Beschreibung hat Arrhenius nicht nur die erste Säure–Base-Theorie begründet, sondern auch zum ersten Mal definiert, was Basen genau sind. Aber wieder einmal fanden sich sehr bald Ausnahmen, die nicht in Arrhenius‘ Bild passen: Wenn alle Basen Hydroxid-Ionen (OH) enthalten, wieso sind dann zum Beispiel Ammoniak (NH3) oder Branntkalk (CaO) basisch? Eine bessere Theorie musste her.

Das Wasser macht’s

Die lieferte der Däne Johannes Brønsted, indem er das Wasser einbezog, in dem alles stattfindet: Er zeigte, dass Ammoniak (NH3) dem Wasser (H2O) ein Proton (H+) entzieht und auf diese Weise Hydroxid (OH) zurückbleibt. In Wasser gelöster Ammoniak ist also eigentlich Ammoniumhydroxid (NH4OH). Nach seiner Erklärung geht es nur um die Protonen: Säuren geben Protonen ab und Basen nehmen sie auf. Wenn eine Säure sich in Wasser löst, bildet sich H3O+.

Nach der Definition von Brønsted reagieren Säuren mit Wasser, indem sie ein Proton (H+) an das umgebende Wasser (H2O) abgeben. Es bilden sich „Oxonium-Ionen“. Basen nehmen stattdessen ein Proton auf; es entsteht Hydroxid.

Für das Wasser bedeutet diese Definition, dass es sowohl eine Säure sein kann, als auch eine Base! Gibt das Wasser ein Proton an eine Base ab, dann ist das H2O in dieser Reaktion die Säure. Nimmt es ein Proton einer Säure auf, dann ist das Wasser eine Base. Das Salz, das im Fall von Salzsäure und Ammoniak entsteht, ist Ammoniumchlorid (NH4Cl, auch bekannt als Salmiak oder Lötstein). HCl und NH3 sind eigentlich Gase, auch wenn man sie meistens in Wasser gelöst benutzt. Das hat den eindrucksvollen Nebeneffekt, dass sich das Salz auch dann bildet wenn man Salzsäure und Ammoniak einfach nur nebeneinander stellt:

Im Laufe des 20. Jahrhunderts kamen noch weitere Verfeinerungen zu der Frage hinzu, was Säuren und Basen eigentlich genau sind, aber die Beschreibungen von Arrhenius und Brønsted reichen in den meisten Fällen aus.

Einfach nur ätzend?

Sowohl Säuren als auch Basen können ätzend wirken; sie müssen es aber nicht. Im Zweifelsfall ist eine Verätzung durch Säure sogar weniger gefährlich als durch eine Base, da starke Säuren die Eiweiße der Haut gerinnen lassen. Dadurch bildet sich eine „Schutzschicht“, die ein tieferes Eindringen der Säure verhindert. Im Gegensatz dazu verflüssigen Basen die Eiweiße, so dass eine ätzende Base tiefer in das Gewebe eindringt als eine ähnlich starke Säure. Neben ihrer Ätzwirkung sind viele Säuren und Basen gleichzeitig auch giftig für den Körper, was sie besonders gefährlich macht.

Pikrinsäure
Pikrinsäure, ein Sprengstoff.

Die wohl bekannteste toxische Säure ist Blausäure (HCN), die zwar hochgiftig, aber nicht ätzend ist. Im Gegensatz dazu ist Salpetersäure (HNO3) nicht giftig; bei ihrer stark ätzenden und gleichzeitig oxidierenden Wirkung macht das am Ende aber keinen Unterschied. Nicht ätzend, aber giftig und explosionsgfährlich ist die Pikrinsäure, die vor einigen Jahren an deutschen Schulen für Schlagzeilen sorgte und sogar Einsätze von Bombenräumkommandos auslöste.

Auch wenn Salzsäure und Co. mit Vorsicht behandelt werden müssen, sind bei weitem nicht alle Säuren ätzend, und zu den stärksten Giften zählt selbst die Blausäure nicht. Auch unter den Sprengstoffen bilden die Säuren eher die Ausnahme. Letztendlich sind Säuren und Basen einfach Stoffgruppen, deren Unterteilung Chemikern das Leben einfacher macht.

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