Chemie: Übungs-Testlets für den TestAS

Viele Reaktionen laufen nicht vollständig ab, sondern erreichen ein dynamisches Gleichgewicht, in dem Hin- und Rückreaktion gleich schnell ablaufen. Die Konzentrationen aller Stoffe bleiben dann konstant, obwohl auf Teilchenebene weiter Reaktionen stattfinden. Ein klassisches Beispiel ist die Veresterung, die Reaktion einer Carbonsäure mit einem Alkohol zu einem Ester und Wasser. Ester sind für den Duft vieler Früchte verantwortlich und werden als Lösungsmittel und Aromastoffe verwendet.

Essigsäure + Ethanol ⇌ Essigsäureethylester + Wasser K = [Ester]·[Wasser] ÷ ([Säure]·[Alkohol])

Die Lage des Gleichgewichts wird durch die Gleichgewichtskonstante K beschrieben, die die Konzentrationen von Produkten und Ausgangsstoffen im Gleichgewicht verknüpft. Für die Veresterung von Essigsäure mit Ethanol beträgt K bei Raumtemperatur etwa 4. Werden je ein Mol Säure und Alkohol in einem bestimmten Volumen gemischt und entstehen x Mol Ester, so entstehen auch x Mol Wasser, und je 1 − x Mol Säure und Alkohol bleiben übrig. Aus x² ÷ (1 − x)² = 4 folgt x ÷ (1 − x) = 2 und damit x = 2/3: Im Gleichgewicht sind zwei Drittel der Säure in Ester umgewandelt. Die Reaktion ist langsam, und einige Tropfen konzentrierte Schwefelsäure werden als Katalysator zugesetzt.

Das Prinzip von Le Chatelier sagt voraus, wie ein Gleichgewicht auf Störungen reagiert: Das System verschiebt sich so, dass es der Änderung entgegenwirkt. Die Zugabe von mehr eines Ausgangsstoffs, etwa eines Überschusses des billigeren Alkohols, verschiebt das Gleichgewicht zu den Produkten und erhöht die Ausbeute an Ester bezogen auf die Säure. Das Entfernen eines Produkts, etwa durch Abdestillieren des Esters oder Binden des Wassers, verschiebt das Gleichgewicht ebenfalls nach rechts. Ein Katalysator dagegen beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen: Das Gleichgewicht stellt sich schneller ein, aber seine Lage ändert sich nicht.

Die Rückreaktion, die Spaltung eines Esters durch Wasser, heißt Hydrolyse. In Gegenwart einer Base wie Natriumhydroxid wird die entstehende Säure in ihr Salz umgewandelt und dem Gleichgewicht entzogen, sodass die Hydrolyse fast vollständig abläuft. Diese Reaktion, angewendet auf Fette, die Ester aus Glycerin und Fettsäuren sind, ist die Grundlage der Seifenherstellung und heißt Verseifung. Seifen sind daher die Salze von Fettsäuren.

In wässrigen Lösungen geben Säuren Wasserstoffionen (Protonen) ab, die sich mit Wassermolekülen zu Oxoniumionen, H₃O⁺, verbinden. Der Säuregrad einer Lösung wird durch ihren pH-Wert ausgedrückt, den negativen dekadischen Logarithmus der Oxoniumionenkonzentration in mol/L. Eine Lösung mit [H₃O⁺] = 0,01 mol/L = 10⁻² mol/L hat einen pH-Wert von 2. Weil die Skala logarithmisch ist, entspricht ein Unterschied von einer pH-Einheit einem Faktor zehn in der Konzentration: Eine Lösung mit pH 3 enthält zehnmal weniger Oxoniumionen als eine mit pH 2.

pH = −lg [H₃O⁺] [H₃O⁺] = 10⁻ᵖᴴ neutral bei 25 °C: pH 7 pH + pOH = 14

Reines Wasser hat bei 25 °C einen pH-Wert von 7; saure Lösungen haben niedrigere, basische (alkalische) Lösungen höhere Werte. Starke Säuren wie Salzsäure dissoziieren fast vollständig, sodass die Oxoniumionenkonzentration der Säurekonzentration entspricht. Schwache Säuren wie Essigsäure dissoziieren nur teilweise, sodass eine Lösung gleicher Konzentration einen höheren pH-Wert hat. Verdünnt man eine starke Säure zehnfach mit Wasser, steigt ihr pH-Wert um eine Einheit; keine noch so starke Verdünnung kann eine saure Lösung jedoch basisch machen, da sich der pH-Wert 7 nähert, ihn aber nicht überschreitet.

Eine Pufferlösung widersteht pH-Änderungen, wenn kleine Mengen Säure oder Base zugegeben werden. Sie besteht aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base in ähnlichen Mengen, zum Beispiel Essigsäure und Natriumacetat. Zugegebene Oxoniumionen werden von den Acetationen aufgenommen, wobei Essigsäure entsteht; zugegebene Hydroxidionen reagieren mit Essigsäure zu Acetat und Wasser. Der pH-Wert ändert sich daher nur wenig. Ein Puffer wirkt am besten, wenn Säure und korrespondierende Base in gleichen Konzentrationen vorliegen; der pH-Wert ist dann gleich dem pKs-Wert der Säure, 4,76 bei Essigsäure.

Puffer sind für Lebewesen lebenswichtig. Menschliches Blut wird vor allem durch das Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffersystem in einem engen Bereich um pH 7,4 gehalten; Werte unter 7,35 oder über 7,45 sind gefährlich. Puffer werden auch in Laboren, in der Lebensmittelindustrie und in Kosmetika verwendet. Ist die Pufferkapazität erschöpft, weil eine ihrer Komponenten verbraucht ist, ändert sich der pH-Wert sprunghaft. Die Kapazität ist umso größer, je höher die Konzentrationen der beiden Pufferkomponenten sind, sodass ein konzentrierter Puffer mehr Säure oder Base aufnehmen kann als ein verdünnter mit gleichem pH-Wert.