Säure, Basen, pH-Wert und Puffer

Auch wenn du noch nie einen Fuß in ein Chemielabor gesetzt hast, stehen die Chancen gut, dass du ein oder zwei Dinge über Säuren und Basen weißt. Hast du zum Beispiel schon mal einen Orangensaft oder eine Cola getrunken? Wenn ja, dann kennst du einige geläufige saure Lösungen. Und wenn irgendwann mal Backpulver verwendet oder Eiweiß beim Backen verwendet hat, dann bist du auch mit einigen Basen vertraut${}^1$‍.

Du hast bestimmt festgestellt, dass Säuren meist auch sauer schmecken oder dass einige Basen, wie Seife oder Bleichmittel, meist rutschig sind. Aber was bedeutet es eigentlich, sauer oder basisch zu sein? Um dir eine kurze Antwort zu geben:

Um zu sehen, woher diese Definition kommt, schauen wir uns die Säure-Basen-Eigenschaften von Wasser selbst an.

In reinem Wasser entstehen durch Dissoziation (Ionisierung) eines kleinen Anteils der Wassermoleküle spontan Wasserstoffionen. Dieser Prozess wird Autoprotolyse des Wasser genannt:

${\text{H}}_2$‍$\text{O}$‍ $\text{(l)}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}^{+}$‍ $\text{(aq)}$‍ + ${\text{OH}}^{-}$‍ $\text{(aq)}$‍

Die Buchstaben in den Klammern bedeuten, dass Wasser flüssig (liquid, l) ist und dass die Ionen in einer wässrigen Lösung (aqua, aq) vorliegen.

Wie du in der Gleichung sehen kannst, ensteht durch Dissoziation eine gleiche Anzahl an Wasserstoffionen (H${}^{+}$‍) und Hydroxidionen (OH${}^{-}$‍). Während sich die Hydroxidionen frei in der Lösung bewegen können, werden die Wasserstoffionen direkt an ein benachbartes Wassermolekül unter Bildung von Oxoniumionen (H${}_3$‍O${}^{+}$‍) übertragen. Es gibt also nicht wirklich freischwimmende H${}^{+}$‍-Ionen im Wasser. Wissenschaftler beziehen sich jedoch auf die Wasserstoffionen und ihre Konzentration, als ob sie sich frei bewegen können, nicht als Oxoniumion – dabei handelt es sich um eine Vereinfachung, die übereinkommend verwendet wird.

Also, wie viele Wassermoleküle dissoziieren eigentlich in einem Krug voll Wasser? Die Konzentration der Wasserstoffionen, die durch Dissoziation in reinem Wasser gebildet werden, beträgt 1 × 10${}^{-7}$‍ mol/l (Mol pro Liter Wasser).

Ist dies viel oder wenig? Obwohl die Anzahl an Wasserstoffionen in einem Liter reinen Wasser sehr viel in Bezug auf den Maßstab ist, in dem wir normalerweise denken (in Billarden), ist die Gesamtanzahl aller Wassermoleküle in einem Liter – dissoziiert oder nicht dissoziiert – ungefähr 33 460 000 000 000 000 000 000 000${}^{2,3}$‍. (Jetzt hast du etwas zum Nachdenken, wenn du dein nächstes Glas Wasser trinkst!) Die autoionisierten Wassermoleküke machen also nur einen sehr kleinen Anteil an den Gesamtmolekülen in einer beliebigen Menge an reinem Wasser aus.

Lösungen werden als sauer oder basisch bezeichnet, je nach ihrer Wasserstoffionen-Konzentration im Verhältnis zu reinem Wasser. Saure Lösungen haben eine höhere H${}^{+}$‍-Konzentration als Wasser (höher als 1 × 10${}^{-7}$‍ mol/l), während basische (alkalische) Lösungen eine geringere H${}^{+}$‍-Konzentration haben (geringer als 1 × 10${}^{-7}$‍ mol/l). In der Regel wird die Wasserstoffionen-Konzentration einer Lösung als pH-Wert ausgedrückt. Der pH-Wert ist der negative Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration der Lösung.

Die eckigen Klammern um das H${}^{+}$‍ bedeuten, dass wir uns auf seine Konzentration beziehen. Wenn du die Wasserstoffionen-Konzentration von Wasser (1 × 10${}^{-7}$‍ mol/l) in diese Gleichung einsetzt, erhälst du einen Wert von 7,0, der auch als neutraler pH-Wert bekannt ist. Im menschlichen Körper haben sowohl Blut als auch das Cytosol (wässrige Flüssigkeit) in den Zellen nahezu neutrale pH-Werte.

Die H${}^{+}$‍-Konzentration verschiebt sich vom neutralen Zustand weg, wenn eine Säure oder eine Base einer wässrigen Lösung zugefügt wird. Für unsere Zwecke ist eine Säure eine Substanz, die die Konzentration an Wasserstoffionen (H${}^{+}$‍) in der Lösung erhöht, normalerweise durch Übertragung eines seiner Wasserstoffatome durch Dissoziation. Eine Base erhöht dagegen den pH-Wert durch Bereitstellung von Hydroxidionen (OH${}^{-}$‍) oder anderer Ionen oder Moleküle, die Wasserstoffionen binden und sie aus der Lösung entfernen. (Dies ist eine vereinfachte Definition von Säuren und Basen, die gut für Probleme in der Biologie funktioniert. Wenn du andere Säure-Basen-Definitionen kennenlernen möchtest, dann besuche den Chemie-Bereich)

Je stärker eine Säure ist, desto leichter dissoziiert sie, um H${}^{+}$‍ zu bilden. Salzsäure (HCl) zum Beispiel dissoziiert vollständig in Wasserstoff- und Chlorid-Ionen, wenn sie in Wasser gegeben wird. Daher handelt es sich bei ihr um eine starke Säure. Die Säuren in Tomatensaft oder Essig dissoziieren andererseits nicht vollständig in Wasser und gelten als schwache Säuren. In ähnlicher Weise dissoziieren starke Basen wie Natriumhydroxid (NaOH) vollständig in Wasser und geben dabei Hydroxidionen (oder andere Arten von basischen Ionen) ab, die H${}^{+}$‍ aufnehmen können.

Die pH-Skala wird verwendet, um Lösungen in Bezug auf ihre Azidität oder Basizität (Alkalität) einzuordnen. Da die Skala auf pH-Werten beruht, ist sie logarithmisch. Das bedeutet, dass eine Veränderung von 1 pH-Einheit einer zehnfachen Veränderung der H${}^{+}$‍-Ionen-Konzentration entspricht. Die pH-Skala wird oft mit einem Bereich von 0 bis 14 angegeben und die meisten Lösungen fallen in diesen Bereich. Es ist aber auch möglich, einen pH-Wert unter 0 oder über 14 zu erhalten. Alles unter 7,0 ist sauer und alles über 7,0 ist basisch oder alkalisch.

Der pH-Wert innerhalb menschlicher Zellen (6,8) und der pH-Wert von Blut (7,4) sind beide fast neutral. Extreme pH-Werte, entweder über oder unter 7,0, gelten in der Regel als ungünstig für das Leben. Die Umgebung in unserem Magen ist jedoch mit einem pH-Wert von 1 bis 2 sehr sauer. Wie löst der Magen dieses Problem? Die Antwort: Wegwerfzellen! Magenzellen, vor allem solche, die in direkten Kontakt mit der Magensäure und Nahrung kommen, sterben ständig und werden durch neue ersetzt. Tatsächlich wird die Auskleidung des menschlichen Magens alle sieben bis zehn Tage vollständig ausgetauscht.

Die meisten Lebewesen, einschließlich dem Menschen, müssen ihren pH-Wert innerhalb eines ziemlich kleinen Bereichs halten, um überleben zu können. Das menschliche Blut muss zum Beispiel seinen pH-Wert etwa bei 7,4 halten und deutlich höhere oder geringere Werte vermeiden – auch wenn saure oder basische Substanzen in die Blutbahn eindringen oder ausströmen.

Puffer, d. h. Lösungen, die Veränderungen des pH-Werts auffangen können, sind der Schlüssel zur Aufrechterhaltung einer stabilen H${}^{+}$‍-Ion-Konzentrationen in biologischen Systemen. Gibt es zu viele H${}^{+}$‍-Ionen, nimmt ein Puffer einige von ihnen auf und lässt den pH-Wert so wieder ansteigen; gibt es zu wenige, kann ein Puffer einige seiner H${}^{+}$‍-Ionen abgeben und den pH-Wert reduzieren. Puffer bestehen in der Regel aus einem Säure-Basen-Paar, bei dem sich Säure und Base durch das Vorhandensein oder das Fehlen eines Protons unterscheiden (ein konjugiertes Säure-Basen-Paar).

Einer der Puffer, die den pH-wert des menschlichen Bluts aufrechterhalten, enthält beispielswiese Kohlensäure (H${}_2$‍CO${}_3$‍) und ihre konjugierte Base, das Bicarbonat-Ion (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍). Kohlensäure wird gebildet, wenn Kohlendioxid in die Blutbahn eintritt und sich mit Wasser verbindet. Es ist die häufigste Form, in der Kohlendioxid durch die Blutbahn zwischen den Muskeln (wo es gebildet wird) und der Lunge (wo es zurück in Wasser und CO${}_2$‍ umgeformt und als Abfallprodukt abgeben wird) strömt.

Wenn zu viele H${}^{+}$‍-Ionen gebildet werden, wird die obige Gleichung nach rechts verschoben und die Bicarbonat-Ionen nehmen die H${}^{+}$‍ auf, um Kohlensäure zu bilden. Sinkt die H${}^{+}$‍-Konzentration zu weit ab, wird die Gleichung nach links verschoben und Kohlensäure wird in Bicarbonat und H${}^{+}$‍-Ionen, die in Lösung gehen, umgeformt. Ohne dieses Puffersystem würde der pH-Wert des Körpers so stark schwanken, dass das Überleben gefährdet wäre.