Säuren, Basen, Salze und Oxide: Grundlagen der Chemie

Säuren: Definitionen nach Arrhenius, Brønsted und Lewis

Eine Säure ist nach Arrhenius (1887) jeder Stoff, der in wässriger Lösung ausschließlich H⁺-Ionen freisetzt. Ein klassisches Beispiel ist die Salzsäure (HCl). Die chemische Formel lautet:

HCl H⁺ + Cl^-

Einige Jahre später, im Jahr 1923, schlugen Brønsted und Lowry die Theorie vor, dass eine Säure ein Stoff ist, der Protonen (H⁺) übertragen kann (Protonendonator).

Letztere Definition verallgemeinert die Säuretheorie von Arrhenius. Die Theorie von Brønsted und Lowry gilt auch für nicht-wässrige Lösungen. Obwohl beide Theorien in der Definition der Säure sehr ähnlich sind, ist der Brønsted-Lowry-Ansatz wesentlich allgemeiner gefasst.

Gilbert Newton Lewis erweiterte 1923 die Definition von Säuren weiter, eine Theorie, die sich jedoch erst einige Jahre später durchsetzte. Nach der Lewis-Theorie ist eine Säure ein chemischer Stoff, der in jedem Medium ein Elektronenpaar akzeptieren kann (Elektronenpaar-Akzeptor). Auf diese Weise gibt es Stoffe, die sich wie Säuren verhalten, aber nicht die Definition von Brønsted und Lowry erfüllen; diese werden Lewis-Säuren genannt. Da das Proton nach dieser Definition eine Lewis-Säure ist (es besitzt ein leeres Orbital 1s, das ein Elektronenpaar aufnehmen kann), lässt sich sagen, dass alle Brønsted-Lowry-Säuren auch Lewis-Säuren sind und alle Arrhenius-Säuren Brønsted-Lowry-Säuren darstellen.

• Beispiele für Brønsted-Lowry-Säuren: HCl, HNO₃, H₃PO₄ – diese geben während einer Reaktion H⁺ ab.

Befinden sie sich in wässriger Lösung, handelt es sich gleichzeitig um Arrhenius-Säuren.

Basen: Eigenschaften und chemische Definitionen

Nach Svante Arrhenius ist eine Base (auch als Lauge bezeichnet) jeder Stoff, der in wässriger Lösung ausschließlich das Anion OH^- (Hydroxyl-Ion) freisetzt. Lösungen mit diesen Eigenschaften werden als basisch oder alkalisch bezeichnet. Basen weisen niedrige Konzentrationen an H⁺-Ionen auf und werden als Lösungen definiert, die einen pH-Wert über 7 haben. Sie besitzen einen adstringierenden Geschmack und werden unter anderem als Reinigungsmittel oder Medikamente (Antazida) eingesetzt.

Viele Basen, wie Magnesiumhydroxid (Magnesiummilch), sind schwach und nicht schädlich. Andere, wie Natriumhydroxid (NaOH oder Ätznatron), sind hochgradig ätzend und müssen mit großer Vorsicht gehandhabt werden. Bei Kontakt mit rotem Lackmus-Papier färbt sich dieses dunkelblau oder violett.

Im Jahr 1923 schlugen der dänische Chemiker Johannes Nicolaus Brønsted und der Engländer Thomas Martin Lowry folgende Definition vor: Eine Base ist ein Akzeptor von Protonen (H⁺-Ionen).

Später definierte Gilbert Lewis eine Base als jeden Stoff, der in einer chemischen Reaktion freie Elektronenpaare spendet (Elektronenpaar-Donator).

Neutralisation von Säuren und Basen

Basen neutralisieren Säuren nach dem Arrhenius-Konzept, wobei Wasser und Salz entstehen:

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → 2 H₂O + CaSO₄
(Schwefelsäure + Calciumhydroxid → Wasser + Calciumsulfat)

HCl + NaOH → H₂O + NaCl
(Salzsäure + Natriumhydroxid → Wasser + Natriumchlorid)

Salze: Entstehung, Struktur und Merkmale

Für andere Bedeutungen von Salz siehe Salz (Begriffsklärung).

In der Chemie ist ein Salz eine ionische Verbindung, die aus Kationen und Anionen besteht. Sie sind in der Regel das Produkt einer chemischen Reaktion zwischen:

• Einer Base und einer Säure: Es bilden sich ein Salz und Wasser. Beispiel:
  2 NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 H₂O
• Einem Metall und einer Säure: Es bilden sich ein Salz und Wasserstoff. Beispiel:
  Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂
• Einem sauren Oxid und einem basischen Oxid: Es bildet sich ein Salz. Beispiel:
  CO₂ + CaO → CaCO₃

Die Ionen, die Salze bilden, können einatomig sein (wie das Fluorid-Anion F^- oder das Calcium-Kation Ca²⁺) oder mehratomig (wie das Sulfat-Anion SO₄^2-). Sie können anorganisch oder organisch (z. B. das Acetat-Anion CH₃COO^-) sein.

Im Allgemeinen bilden Salze Kristalle. Oft sind sie in Wasser löslich, wobei sich die Ionen trennen. Salze haben meist einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe Härte und eine niedrige Kompressibilität. Im geschmolzenen Zustand oder in Wasser gelöst leiten sie Strom, da sie in ihre einzelnen Ionen zerfallen und als Elektrolyte fungieren.

Das bekannteste Salz ist Natriumchlorid, gemeinhin als Kochsalz bezeichnet, das weit verbreitet in Lebensmitteln verwendet wird. Die Neutralisation von Säuren durch Basen kann vollständig oder teilweise erfolgen, woraus saure oder basische Salze resultieren.

Oxide: Verbindungen mit Sauerstoff

Ein Oxid ist eine chemische Verbindung, die aus binären Atomen von Sauerstoff und anderen Elementen besteht. Oxide bilden eine große Gruppe in der Chemie, da die meisten Elemente Oxide bilden können. Bekannte Beispiele sind Rost (Eisen(III)-oxid), Kohlendioxid (Kohlenstoff(IV)-oxid) und Kalk (Calciumoxid).

In Oxiden muss der Sauerstoff der elektronegativere Partner sein. Verbindungen wie OF₂ oder O₂F₂ sind keine Oxide, da Fluor elektronegativer als Sauerstoff ist. Diese Verbindungen werden stattdessen als Sauerstofffluoride bezeichnet.