Säuren und Basen bei der Sauerkrautproduktion

Hast du dich jemals gefragt, warum Sauerkraut sauer schmeckt? Bei der Herstellung finden wichtige chemische Reaktionen statt. Zunächst wird der Zucker im Weißkohl unter Sauerstoff durch Essigsäuregärung umgesetzt. Später, unter Sauerstoffausschluss, entsteht durch Milchsäurebakterien die Milchsäure.

Die beiden wichtigen Säuren haben folgende Protolysegleichungen:

• Essigsäure: CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺
• Milchsäure: C₂OHCOOH + H₂O ⇌ C₂OHCOO⁻ + H₃O⁺

Nach dem Brønsted-Konzept ist eine Säure ein Protonendonator (gibt H⁺ ab) und eine Base ein Protonenakzeptor (nimmt H⁺ auf). In diesen Gleichungen fungieren Essigsäure und Milchsäure als Säuren, Wasser als Base. Die Produkte bilden die korrespondierenden Säure-Base-Paare.

💡 Merke: Die Stärke einer Säure wird durch ihren pKₛ-Wert angegeben. Je kleiner der pKₛ-Wert, desto stärker die Säure! Milchsäure $pKₛ = 3,87$ ist stärker als Essigsäure $pKₛ = 4,76$.

Der pH-Wert des Sauerkrauts sinkt während der Fermentation von anfangs etwa 6,5 auf 3,5 nach 10 Tagen und bleibt dann konstant. Diese Säurebildung sorgt nicht nur für den charakteristischen Geschmack, sondern macht Sauerkraut auch haltbar.

Mehrprotonige Säuren und Ampholyte

Bei mehrprotonigen Säuren wie Schwefelsäure und Phosphorsäure werden die Protonen schrittweise abgegeben. Jeder Schritt hat seine eigene Protolysegleichung und eigenen pKₛ-Wert.

Schwefelsäure (H₂SO₄) gibt ihre Protonen in zwei Schritten ab:

1. H₂SO₄ + H₂O ⇌ HSO₄⁻ + H₃O⁺
2. HSO₄⁻ + H₂O ⇌ SO₄²⁻ + H₃O⁺

Bei Phosphorsäure (H₃PO₄) gibt es sogar drei Schritte:

1. H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + H₃O⁺
2. H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺
3. HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ PO₄³⁻ + H₃O⁺

Das Hydrogensulfat-Ion (HSO₄⁻) nimmt eine besondere Rolle ein - es ist ein Ampholyt. Im ersten Schritt fungiert es als Base (nimmt ein Proton auf), im zweiten Schritt als Säure (gibt ein Proton ab).

🧪 Wichtig für die Klausur: Du solltest alle Protolyseschritte mehrprotoniger Säuren korrekt formulieren können und verstehen, dass jeder Schritt eine unterschiedliche Säurekonstante hat.

Bei mehrprotonigen Säuren ist der erste Dissoziationsschritt meist der stärkste, die weiteren Schritte sind zunehmend schwächer. Das erklärt, warum eine 0,1-molare Schwefelsäurelösung nicht doppelt so sauer ist wie eine 0,1-molare Salzsäurelösung.

pH-Wert und Autoprotolyse des Wassers

Warum leitet destilliertes Wasser eigentlich ein bisschen Strom? Die Antwort liegt in der Autoprotolyse des Wassers:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻

Bei diesem Prozess reagieren zwei Wassermoleküle miteinander und bilden ein Oxonium-Ion (H₃O⁺) und ein Hydroxid-Ion (OH⁻). Die Konzentration beider Ionen beträgt in reinem Wasser 10⁻⁷ mol/l.

Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Oxonium-Ionen-Konzentration: pH = -log[H₃O⁺]

Entsprechend ist der pOH-Wert der negative dekadische Logarithmus der Hydroxid-Ionen-Konzentration: pOH = -log[OH⁻]

In reinem Wasser gilt: pH = pOH = 7 (bei 25°C). Außerdem gilt stets: pH + pOH = 14.

📝 Spannend: Bei sehr verdünnten Säurelösungen kann die Autoprotolyse des Wassers den pH-Wert entscheidend beeinflussen! Eine 10⁻⁸ molare Salzsäurelösung hat nicht pH = 8, sondern pH = 6,96, weil die Oxonium-Ionen aus dem Wasser berücksichtigt werden müssen.

Bei der Berechnung des pH-Werts sehr verdünnter Säuren musst du die Oxonium-Ionen aus der Autoprotolyse des Wassers zur Konzentration der Säure addieren: [H₃O⁺] = 10⁻⁷ mol/l + [Säure].