Neutralisation

Neutralisation: Definition

Säuren und Basen kannst Du Dir in der Chemie als Gegenspieler vorstellen. Gibst Du wässrigen Lösungen eine Säure hinzu, überträgt diese ein positiv geladenes Wasserstoffatom (auch Proton genannt, da H⁺-Ionen weder Elektronen noch Neutronen haben) auf das Wasser, sodass Oxoniumionen (H₃O⁺) entstehen. Säuren sind also Protonendonatoren. Je mehr Säure Du hinzugibst, desto saurer und stärker ätzend wird die Lösung.

Wenn Du wässrigen Lösungen eine Lauge hinzugibst, erhöht sich die Konzentration an Hydroxidionen (OH^-), da sie Protonen aufnehmen können. Daher werden Basen auch als Protonenakzeptoren bezeichnet. Basische Lösungen wirken ebenfalls ätzend.

Neutralisation: Einfache Reaktionsgleichung

Treffen Säure und Base aufeinander, reagieren die Oxonium- und die Hydroxidionen zu Wasser (H₂O).

${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}\iff 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Diese Neutralisationsreaktion wird auch als die Autoprotolyse des Wassers bezeichnet, da Wasser von sich aus gleichzeitig als Säure und als Lauge reagieren kann. Wenn Du also in ein Becherglas mit Wasser eine Base zugibst, reagiert das Wasser als Säure und gibt ein Proton ab, wodurch sich die Anzahl an freien Hydroxidionen erhöht. Gibst Du eine Säure zu Wasser, dann reagieren die Protonen mit dem Wasser, wodurch sich die Anzahl an Oxoniumionen erhöht.

Auf den pH-Wert kommt es an

Wie basisch oder sauer eine wässrige Lösung ist, kannst Du anhand des pH-Werts sehen. Dabei handelt es sich um eine Skala von 1 bis 14. Ist der Messwert kleiner als 7, ist die Lösung sauer. Bei einem Wert über 7 ist sie basisch (auch "alkalisch" genannt).

Liegt der pH-Wert exakt bei 7, ist die Lösung neutral. An diesem Punkt liegen die Oxoniumionen und die Hydroxidionen in der gleichen Konzentration c vor. Diese liegt bei${10}^{-7}\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}$, wodurch auch der pH-Wert von 7 definiert ist.

Der pH-Wert gibt also an, wie das Konzentrationsverhältnis der Hydroxid- und Oxoniumionen ist. Schau Dir dazu mal folgende Tabelle genauer an, dann siehst Du, was damit gemeint ist:

Interessant ist, dass sogar bei einem neutralen pH-Wert Oxonium- und Hyroxidionen vorliegen, da Wasser aufgrund der Autoprotolyse von allein zerfällt (dissoziiert).

Außerdem läuft die Protonenübertragung ohne Unterbrechung weiter, sodass hier ständig Protonen zwischen den Molekülen ausgetauscht werden. Das gilt auch für eine neutrale Lösung, wobei in diesem Fall die gleiche Menge an Oxonium- und Hydroxidionen vorliegt. Erst wenn eine der beiden Ionenarten im Überschuss vorliegt, also wie es bei basischen und sauren Lösungen der Fall ist, wirkt eine wässrige Lösung ätzend.

Neutralisationsreaktionen verlaufen exotherm

Eine Neutralisationsreaktion läuft freiwillig ab, das heißt, Du kannst Deinen Bunsenbrenner im Schrank lassen. Tatsächlich wird beim Neutralisieren sehr viel Energie in Form von Wärme frei, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Die frei werdende Wärmeenergie kannst Du auch Neutralisationswärme nennen.

Neutralisation: Beispiel mit Salzsäure und Natronlauge

Ein Beispiel für eine klassische Neutralisationsreaktion ist die Reaktion von Salzsäure (HCl) mit Natronlauge (NaOH):

$\mathrm{HCl}+\mathrm{NaOH}\to {{\mathrm{Na}}^{+}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}+{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Nach dieser Reaktionsgleichung überträgt die Salzsäure sein Proton auf das Hydroxidion der Natronlauge, sodass ein Wassermolekül entsteht. Das positiv geladene Natriumion (Na⁺) und das negativ geladene Chloridion (Cl^-) liegen in Wasser gelöst (dissoziiert) vor und bekommen daher die Bezeichnung "aq" (Abkürzung für aqua, dem lateinischen Wort für Wasser).

Salzsäure und Natronlauge sind unter den Säuren und Laugen zwei Extrembeispiele, was den pH-Wert angeht. Natronlauge hat einen pH-Wert im stark basischen, der bei 14 liegt. Salzsäure hat einen pH-Wert von 1 und liegt damit im stark sauren Bereich. Wenn beide Lösungen in der gleichen Konzentration vorliegen, brauchst Du jeweils die gleiche Menge, um eine Neutralisation durchzuführen.

Die Salze von Basen und Säuren

Wenn Du Dir das Wasser dieser Neutralisation nun kurz wegdenkst, siehst Du, dass Na⁺ und Cl^- zusammen das Salz Natriumchlorid (NaCl) bilden. Der Name kommt Dir bekannt vor? Kein Wunder! Hierbei handelt es sich nämlich um einfaches Kochsalz, das Deine Pommes erst so richtig lecker macht.

Ein Salz ist eine Verbindung, die aus positiv und negativ geladenen Ionen in Form eines Kristallgitters zusammengesetzt ist. In Wasser gelöste Salze liegen allerdings in Form von Ionen vor. Der Grund dafür ist, dass die meisten Salze in wässrigen Lösungen dissoziieren. Das Kristallgitter löst sich auf und die Ionen des Salzes liegen dann frei vor. Grund hierfür ist die Hydratation, bei der sich die polaren Wassermoleküle an die geladenen Ionen anlagern und stabilisierend wirken.

Neutralisation – Ablauf

Das Ziel einer Neutralisation ist, genau auf einen pH-Wert von 7 zu kommen. Für eine erfolgreiche Neutralisation musst Du aber wissen, wie viel einer Base Du dafür in eine saure Lösung zugeben musst. Sonst gibst Du entweder zu wenig oder zu viel zu, sodass die Lösung weiterhin sauer oder basisch ist.

pH-Wert richtig einstellen

Damit Du bei der Neutralisation nicht im Dunkeln tappst, kannst Du durch Nutzung sogenannter Indikatoren oder über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit mit einem pH-Messgerät die benötigte Menge an Base oder Säure bestimmen. Eine Säure oder Lauge zu neutralisieren, ist nicht immer leicht. Daher wird bei der Neutralisation im Labor eine sogenannte Bürette benutzt, mit der Du die Menge an Säure oder Base über einen Hahn fein einstellen kannst.

In der quantitativen Analyse wird zur Neutralisation ein Verfahren namens Titration genutzt, mit dem Du die genaue Stoffmenge einer Substanz herausfinden kannst. Dazu benutzt Du eine Maßlösung, dessen Konzentration Du genau kennst. So kannst Du zum Beispiel anhand der Menge an zugegebener Base oder Säure ablesen, wie hoch die Konzentration der Probelösung war.

Neutralisation – im Alltag

Die Neutralisation kommt nicht ausschließlich im Labor vor, sondern auch im Alltag. Sie ist Dir auf jeden Fall schon mal irgendwo begegnet, auch wenn Du bisher nichts davon mitbekommen hast. Viele Prozesse in unseren Körpern laufen beispielsweise ganz von allein im Hintergrund ab, dabei sind sie zum Teil sogar überlebenswichtig.

Saurer Regen

Saurer Regen hat einen pH-Wert von 5,5, der für viele Pflanzen und Tiere lebensbedrohlich ist. Dieser entsteht hauptsächlich durch die von Kraftwerken und dem Güter- sowie Personenverkehr ausgestoßenen Schadstoffen.

Der saure pH-Wert kann mithilfe einer Neutralisationsreaktion bekämpft werden, indem zum Beispiel Kalk (CaCO₃) auf dem Boden verteilt wird. Aus diesem Grund enthalten auch viele Düngemittel Kalk. Die schwache Base verschiebt den pH-Wert stärker in den basischen Bereich verschiebt. Wie das funktioniert, siehst Du an der folgenden Reaktionsgleichung:

$2{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{CaCO}}_3\to {\mathrm{Ca}}^{2+}+{\mathrm{CO}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Die beiden Oxoniumionen reagieren mit Kalk zu Calciumionen (Ca²⁺), Kohlensäure (CO₂ ) und Wasser.

Auswirkungen von Abwasser auf die Umwelt

In den Umweltwissenschaften ist die Neutralisation ebenso von großer Bedeutung. Abwässer sind selten neutral, was schlecht für die Umwelt sein kann.

Deshalb werden in Klärwerken je nach Bedarf Säuren oder Basen hinzugegeben, um das Abwasser neutral zu bekommen, bevor es wieder in Oberflächengewässer eingeleitet wird. Das ist ziemlich wichtig, denn wenn das Abwasser zu sauer oder zu basisch ist, könnten Lebewesen wie Fische und andere Wasserbewohner sterben.

Neutralisation im Körper

Auch in Deinem Körper finden ständig Neutralisationsreaktionen statt, unter anderem in Deinem Blut. Dieses hat einen pH-Wert von etwa 7,4 und nur wenn dieser möglichst konstant bleibt, kann Dein Körper ordnungsgemäß funktionieren. Damit dieser Wert gehalten werden kann, sind sogenannte Puffersysteme nötig. Diese bestehen aus einer Kombination aus schwachen Basen sowie Säuren und gleichen über eine Neutralisation leichte pH-Wert-Schwankungen wieder aus.

Die Natur hat hier also vorgesorgt und stellt Dir gleich vier solcher Puffer zur Verfügung. Insbesondere diesen:

${\mathrm{CO}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\iff {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\iff {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{HCO}}_3^{-}$

Das ist der sogenannte Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer, der im Vergleich wichtigste Blutpuffer. Mit 53 % leistet er den größten Beitrag zur Pufferwirkung Deines Bluts. Die Kohlensäure (H₂CO₃) dient hier als Säure und das Hydrogencarbonation (HCO₃^-) als Lauge.

Wenn Dein Blut nicht sauer genug ist, löst sich ein Proton von der Kohlensäure, sodass in Reaktion mit Wasser ein Oxoniumion und ein Hydrogencarbonation entstehen. Sollte es zu sauer sein, wird das Proton vom Oxoniumion wieder auf das Hydrogencarbonation übertragen, sodass Kohlensäure entsteht. Überschüssige Kohlensäure zerfällt anschließend zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), das über die Atmung ausgestoßen wird.