Säuren – Bildung / Entstehung (enthält Learningapps)

Der saure Geschmack war wohl das erste, was der Mensch mit Säuren in Verbindung brachte. Die Herstellung stark ätzender Supersäuren lag da noch in weiter Ferne. Aber schon vor einigen Jahrhunderten war findigen Geistern die Herstellung von Säuren im Laboratorium bekannt.
Aus dem 8. Jahrhundert stammen die ersten Aufzeichnungen für die Produktion von „Vitriolöl“ – Schwefelsäure – aus Sulfaten, den Salzen der Schwefelsäure, den Vitriolen. Daher stammt auch der Name des Verfahrens. Das Vitriolverfahren lieferte mit hohem Materialaufwand und immensen Energiekosten in sogenannten Galeerenöfen bis ins 18. Jahrhundert Schwefelsäure. Dabei spalten Sulfate bei starker Erwärmung Schwefeltrioxid ab, welches mit Wasser Schwefelsäure ergibt.
$$ \mathrm{SO_3 + H_2O \longrightarrow H_2SO_4} $$

Ein Nichtmetalloxid reagiert mit Wasser zu einer Säure!

Nichtmetalloxid + Wasser ———> Säure!

Das klappt auch mit den Oxiden von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor.
So entstehen die mineralischen Säuren Kohlensäure H2CO3, Salpetersäure HNO3 und Phosphorsäure H3PO4.

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Salzsäure – Chlorwasserstoffsäure

Chlorwasserstoffsäure (Trivialname: Salzsäure) entsteht durch das Lösen der Moleküle des gasförmigen Chlorwasserstoffs (HCl) in Wasser . Dabei zerfällt das Molekül HCl in Ionen. Das Wasserstoffion (H+) und das Chloridion (Cl) bilden sich. Es entsteht eine saure Lösung, die immer das Wasserstoffion ( H+ ) enthält.
$$ HCl \to H^+ + Cl^- $$

Salzsäure wird bereits vor 2000 Jahren von Plinius erwähnt und dort mit der Gewinnung von Gold, Silber und einigen Mineralen in Zusammenhang gebracht. Sie ist eine technisch bedeutsame Säure, die in verdünnter Form im Magensaft aller Wirbeltiere vorkommt. Dort liefert sie eine saure Umgebung in der Mikroorganismen abgetötet und Eiweiße denaturiert(zerstört) werden und in der Verdauungsenzyme wie Pepsin optimal arbeiten. Salzsäure ist eine wichtige Grundchemikalie der Industrie. Aus ihr werden viele andere Stoffe wie Eisen(III)-chlorid ), Calciumchlorid , Nickel(II)-chlorid und weitere Stoffe für die Galvanik und Batterieproduktion hergestellt. Sie wird in der Metallurgie für die Aufarbeitung von Erzen ebenso benötigt wie für das Ätzen , Beizen -besonders von Stahl – und Löten . Auch bei der Entfernung von Kalk und Mörtelresten im Bauwesen spielt Salzsäure eine zentrale Rolle.

gebeizte Schweißnaht

Entstehung von Salzsäure:

507 Liter – das sind 815g – lösen sich begierig in einem einzigen Liter Wasser. Damit entsteht eine konzentrierte Salzsäure von 42% HCl Gehalt.

Das begierige Auflösen in Wasser erzeugt im Rundkolben mit dem Chlorwasserstoffgas einen Unterdruck, der den Effekt des hereinströmenden Wassers zur Folge hat.

Im Labor wird diese stechend riechende Säure durch die Reaktion von Natriumchlorid(Kochsalz) mit Schwefelsäure gewonnen. Diese Reaktion ist nach ihrem Entdecker J.R. Glauber benannt.

Dazu wird hier Schwefelsäure in einer Glas mit Natriumchlorid -dem Salz der Salzsäure – gegeben. Das entstehende Gas wird in wässrige Unitest-Indikatorlösung eingeleitet. Die Rotfärbung zeigt an, dass sich das eingeleitete Gas mit dem Wasser zu einer Säure verbunden hat. Die stärkere Schwefelsäure hat das schwächere Salz der Salzsäure verdrängt!

Salzsäure ist eine ätzende, elektrisch leitende, stechend riechende Flüssigkeit, die den Indikator UNITEST rot färbt und mit unedlen Metallen reagiert.

Bei dieser Reaktion entstehen gasförmiger Wasserstoff und das jeweilige Chlorid, das Salz der Salzsäure. Magnesiumchlorid, Aluminiumchlorid, Zinkchlorid und Eisenchlorid. Gold und Silber reagieren nicht mit dieser Salzsäure.

$$ Mg + 2 HCl \to H_2 + MgCl_2 $$
$$ 2 Al + 6 HCl \to 3 H_2 + 2 AlCl_3 $$
$$ Zn + 2 HCl \to H_2 + ZnCl_2 $$
$$ Fe + 2 HCl \to H_2 + FeCl_2 $$

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Schwefelsäure

Das Schwefelsäuremolekül \( H_2SO_4 \) mit dem zentralen Schwefelatom, umgeben von 4 Sauerstoffatomen zerfällt in Wasser in das aggressive – hoch reaktive – Ion \( H^+ \) , das Wasserstoffion (auch Proton genannt) und das Sulfation \( SO_4^{2-} \) , das typische 2-fach negativ geladene Ion der Schwefelsäuresalze.

Schwefelquelle an einem Kratersee eines Vulkans. Hier bildet sich aus den Oxiden freie Schwefelsäure im Seewasser.

Eigenschaften:

96%ige konzentrierte H2SO4 ist eine klare, ätzende,  farb- und geruchlose, sehr ölige (hochviskose), stark hygroskopische (wasserziehende) Flüssigkeit, die mit Wasser unter starker Wärmeentwicklung mischbar ist. Hier ist wie bei allen Säuren unbedingt die Verdünnungsregel einzuhalten, da es sonst zu gefährlichen Verspritzungen kommt. In Wasser gelöst, existiert die Schwefelsäure in Form ihrer Ionen (H+ )Wasserstoffion und und (SO42– ) Sulfation , in die sie zerfällt(dissoziiert).

Schwefelsäure dissoziiert 2-stufig:

  1. Bildung des Hydrogensulfations

$$ H_2SO_4 \to H^+ + HSO_4^- $$

2. Bildung des Sulfations

$$ HSO_4^- \to H^+ + SO_4^{2-} $$

Vorkommen:

An vulkanischen Seen gibt es schwache Konzentrationen von Schwefelsäure. Dies ist neben Spuren von Schwefelsäure in einigen Insektensekreten das einzige natürliche Vorkommen. Die Schwefelsäure gehört wie die Salpetersäure zu den technischen Säuren.

Bedeutung und Verwendung:

Die Schwefelsäure ist eines der wichtigsten Produkte der chemischen Industrie. Sie wird „Blut der Chemie“ genannt. Die Weltproduktion von Schwefelsäure übersteigt die 140 Millionen-Tonnen-Marke. Das meist verwendete Verfahren, das Kontaktverfahren, nutzt Schwefel und ist eine deutsche Erfindung. Ein großer Teil der Schwefelsäure wird dazu verwendet, andere chemische Produkte herzustellen zum Beispiel mineralische Düngemittel (Ammonium- und Superphosphate), Farbstoffe, Sprengstoffe, Waschmittel und Arzneimittel. Die Schwefelsäure ist ein chemischer Grundstoff.
In der Glas-, Kunstseide- und Kunststoffindustrie, sowie in der Petrochemie und bei Dynamit spielt Schwefelsäure ebenfalls eine große Rolle. Mit ihr kann man zahlreiche andere  Säuren herstellen, zum Beispiel die Phosphorsäure (durch Reaktion mit Calciumphosphat) oder Fluorwasserstoffsäure, die auch Flusssäure genannt wird und als Lösungsmittel dient. 

Konzentrierte Schwefelsäure greift Kunststoffe an und zersetzt Zucker und Holz. So lässt sich auch der Aufbau von Zucker aus Kohlenstoff nachweisen. Die Reaktion mit Holz erfolgt in ähnlicher Weise, dabei kommt des auch zur Schwärzung jedoch nicht zu einer solchen Volumenvergrößerung.

Aber auch kohlenstoffbasierte Kunststoffe können der Schwefelsäure nicht widerstehen.

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Fruchtsäuren

Das schmeckt ja sauer!
So in etwa reagieren wir auf die überraschende Unreife von sonst süß schmeckenden Früchten. Aber auch reife Früchte enthalten diese Geschmacksstoffe. Wir kennen sie aus Äpfeln, Zitrusfrüchten, Beeren und vielem mehr.

Zu den Fruchtsäuren gehören Äpfelsäure, Citronensäure, Fumarsäure, Gluconsäure, Glycolsäure, Mandelsäure, Milchsäure, Oxalsäure, Salicylsäure, α-Hydroxycaprylsäure und Weinsäure. Diese Stoffe sind aber nicht unbedingt, was wir als Säure erwarten. So ist die Citronensäure ein geruchloses, farbloses, wasserlösliches Pulver. Sie wurde erstmal 1785 von Carl Wilhelm Scheele dem Entdecker des Sauerstoffs isoliert. Sie wird als Lösungsmitteln für Kalk in entsprechenden Reinigern eingesetzt und ist der Lebensmittelzusatzstoff E330. An der Haltbarmachung von Blutspenden ist sie ebenso beteiligt, wie als Rostentferner, kosmetischer Wirkstoff in Cremes und Lotions.

Die Äpfelsäure ist als E269 zugelassenes Säuerungsmittel und für ihren „grasigen“ Geschmack bekannt. Sie wird gern herben Speisen zugesetzt. Die Salze der Äpfelsäure – die Malate – dienen uns in Kartoffelchips dazu, diesen Genuss bis in´s Ungesunde ausarten zu lassen. Sie sind mitverantwortlich für dieses „immer mehr wollen“.

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Weinsäure

Weinsäure, auch als 2,3-Dihydroxybernsteinsäure oder 2,3-Dihydroxybutandisäure oder Weinsteinsäure, im Lateinischen als Acidum tartaricum und im Englischen mit tartaric acid bezeichnet, vom griechischen tartaros Hölle, aufgrund der ätzenden, brennenden Wirkung.

Text: wikipedia.org

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Apfelsäure

Die Apfelsäure wurde von Carl Wilhelm Scheele als erstes aus dem Apfelsaft isoliert und beschrieben. Sie kommt in vielen unreifen Früchten wie Stachelbeeren, Äpfeln, Quitten oder Weintrauben vor. A. Lavoisier schlug den Namen Apfelsäure (acid malique) vor. Sie ist der Lebensmittelzusatzstoff E296, der aber wegen seines hohen Preises kaum eingesetzt wird. Kaliummalat -das Kalioumsalz der Apfelsäure - wird medizinisch als Ersatzstoff für Kaliumchlorid eingesetzt.

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Citronensäure

E330, Citronensäure ist ein weißes Pulver, welches sich gut in Wasser löst und mit Metallen Salze bildet, die man Citrate nennt. Carl Wilhelm Scheele isolierte sie 1784 erstmals aus Zitronensaft. Aber schon im 9. Jahrhundert wurde von arabischen Alchemisten die Säure erwähnt, jedoch anders benannt. Die Citronensäure tritt in den Stoffwechseln von fast allen Lebewesen auf. Man findet sie in vielen Früchten, Milch, Tabak, Pilzen und Nadelhölzern. Wir verwenden sie als Lebensmittelzusatzstoff, Säuerungsmittel, Konservierungsstoff und in kalklösenden Reinigern. Da Citronensäure die Blutgerinnung verhindert, konserviert man Blut mit ihrer Hilfe.

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Oxalsäure

Ethandisäure oder auch Kleesäure wurde 1769 durch J. Christian Wiegleb im Sauerklee entdeckt und konnte erst später von Carl Wilhelm Scheele in größeren Mengen hergestellt werden. Maniok, Spinat, Mangold und Rhabarber enthalten große Mengen davon, aber auch Sternfrüchte, Petersilie und Kakao beinhalten Oxalsäure. Sie wird von uns als Bleichmittel in der Holzindustrie und zur Entfernung von Rostflecken benutzt. Dem Imker dient sie im Winter zur Bekämpfung einer lästigen Milbe. Weiterhin ist sie ein Glanzpoliermittel für Marmor. Da Oxalsäure die Eisenaufnahme im Körper stark einschränkt muss bei der Ernährung Zurückhaltung beim Verzehr oxalsäurereicher Nahrungsmittel geübt werden.

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Du findest mehr zum Thema im Internet (www.chemie-schule.de) und im LERNPROGRAMM Chemieseiten (nur für den PC)

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Entkalken – Säuren helfen im Haushalt

Calciumcarbonat(Kalk) ein Salz der Kohlensäure und seine engsten Verwandten die Hydrogencarbonate lassen sich mit Säuren zerstören. Essigsäure oder Citronensäure eignen sich dazu in den einfachsten Fällen. Für großflächige Anwendungen im Außenbereich kommen unter Umständen auch stärkere Säuren wie die Salzsäure zum Einsatz.

Die Chemie des Entkalkens:

Calciumcarbonat + Säure \( \longrightarrow \) Calciumsalz der Säure + Kohlenstoffdioxid
(Kalk)
Calciumcarbonat + Salzsäure \( \longrightarrow \) Calciumchlorid + Kohlendioxid

Calciumcarbonat + Citronensäure \( \longrightarrow \) Calciumcitrat + Kohlendioxid

Ein Versuch mit 3 Entkalkern:

Anwendung im Außenbereich:

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