Wasser- und Elektrolythaushalt

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1 Wasser- und Elektrolythaushalt Der Säure-Basenhaushalt Historie: Säuren: Die älteste bekannte Säure (lat. acidum) ist Essig (lat. acetum), eine 5% wässrige Lösung der Verbindung Essigsäure. Säuren waren etwas Essigartiges (oxos od. acidus). In der Alchemie galt Essig als Urstoff. Die sauren Eigenschaften basierten auf einer einzigen Ursäure, die in verschiedenen Substanzen zur Wirkung kam. Säuren lassen Kalk bzw. Carbonate aufschäumen, haben eine ätzende Wirkung und einen sauren Geschmack. Bis Ende des 13. Jh. waren wohl keine anderen Säuren außer Essig und anderen Pflanzensäften bekannt. Salzsäure als eigenständige Verbindung wurde erst Ende des 16. Jh. entdeckt. Intensive Untersuchung durch J. R. Glauber im 17. Jh. führten zum Glaubers Salzgeist (Spiritus salis Glauberianus) der sehr konzentrierten, sogenannten rauchenden Salzsäure bzw. dem Gas Wasserstoffchlorid definierte dann S. Arrhenius Säuren als Stoffe, die beim Auflösen in Wasser unter Abgabe von H+ Protonen dissoziieren.

2 Basen: In der Alchemie waren einige Alkalien, wie Kalk, Natron, Soda, Pottasche und Ammoniak bekannt. Bis ins 18. Jh. hinein wurde aber zwischen Soda und Pottasche nicht exakt unterschieden. Der Begriff Alkalien wurde wenig verwendet und es wurde kein genauer Zusammenhang zwischen diesen Stoffen erkannt. Die Base (Alkalie) als Gegenpol zur Säure wurde in der Chemiatrie, einem medizinisch-theoretischen Lehrgebäude von Otto Tachenius im 17. Jh. postuliert. Bis ins 18. Jh. bestand eine enge Verknüpfung zwischen Alkalien und dem Feuer bzw. der Feuermaterie, auch wegen der bekannten exothermen Reaktionen. Der Begriff Base wurde im 17. Jh. von Chemikern eingeführt, weil basische Stoffe die nichtflüchtige Grundlage zur Fixierung flüchtiger Säuren bildeten und die ätzende Wirkung der Säure aufheben konnte. Justus von Liebig sah Säuren als Wasserstoff-Verbindungen an, die sich durch Metalle in Salze überführen lassen definierte Svante Arrhenius Basen als Stoffe, die beim Auflösen in Wasser unter Abgabe von Hydroxidionen dissoziieren und Säuren als Stoffe, die unter Abgabe von Protonen dissoziieren (s.o.). Es hat sich bis jetzt das Modell von J. N. Brønsted bewährt (1923). Seiner Theorie nach wechselwirken Basen und Säuren in einer Protonenübertragungsreaktion. Dabei nehmen Basen Protonen von Säuren auf wurde das Konzept der harten und weichen Säuren und Basen von Ralph G. Pearson entwickelt

3 Säuren: Säuren sind chemische Verbindungen, die in der Lage sind, Protonen (H+) an einen Reaktionspartner zu übertragen, das heißt: Säuren sind Verbindungen, bei deren Dissoziation in Wasser positiv geladenen Wasserstoff-Ionen enstehen: Dissoziation: Unter Dissoziation versteht man in der Chemie den angeregten oder selbständigen ablaufenden Vorgang der Zerlegung einer chemischen Verbindung in zwei oder mehrere Moleküle, Atome, Ionen. Elektrolytische Dissoziation: Die elektrolytische Dissoziation ist die reversible Zerfall einer Verbindung in Anionen und Kationen in einem Lösungsmittel. Solche Lösungen nennt man Elektrolyte. Eine solche Dissoziation findet beim Lösen von Salzen in Wasser statt. In die dem polaren Lösungsmittel liegt das gelöste in Form von frei beweglichen Ionen vor. Die frei beweglichen Anionen und Kationen führen zu einer elektrischen Leitfähigkeit des Wassers.

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5 Säuren reagieren mit Basen unter Bildung von Wasser und Salzen. Eine Base ist somit das Gegenstück zu einer Säure und vermag sie zu neutralisieren. Im engen Zusammenhang mit Säuren stehen in der Regel und häufig ohne ausdrückliche Erwähnung die Anwesenheit und bestimmte Eigenschaften des Wassers. Reines Wasser unterliegt einer sogenannten Autoprotolyse. Hierbei entstehen aus dem Wasser in sehr kleinen und gleichen Mengen Oxoniumionen (H3O+) und Hydroxidionen (OH-): In dieser Reaktionsgleichung des Wassers zeigt sich die Eigenschaft einer Säure, nämlich die Fähigkeit der Bildung von H3O+-Ionen in Wasser. Gleichzeitig bilden sich OH--Ionen in Wasser eine der Eigenschaften, über die eine Base verfügen kann. Man bezeichnet Wasser weder als eine Base noch als eine Säure, es ist neutral. Dies bezieht sich auf den ph-wert der die Konzentration der H3O+-Ionen in Wasser angibt. Reines Wasser hat den ph-wert von 7, also eine sehr kleine Konzentration. Diese Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion: Die Bildung der Ionen sowie deren Vereinigung zu Wasser findet ständig und mit gleicher Häufigkeit statt. Neutral heißt also nicht, dass nichts passiert. Als Säuren kann man chemische Verbindungen bezeichnen, die in einer bestimmten Wechselwirkung mit Wasser stehen können. Sie verfügen über Wasserstoffatome, die ionenähnlich (ionogen) gebunden sind. So reagiert reine Essigsäure (H3C-COOH) mit Wasser und bildet dabei weitere H3 O+-Ionen. Tritt eine solche Reaktion auf, kann man eine Verbindung als Säure bezeichnen. Neben dem Oxoniumion entstehen auch das Acetat-Anion H3C-COO--: Essigsäure ist eine Carbonsäure und im Vergleich zu anorganischen Säuren wie Salzsäure eine eher schwache Säure. In wässriger Lösung liegen ein guter Teil der Moleküle undissoziiert als H3C -COOH vor. Auch hier stellt sich zügig ein Gleichgewicht ein.

6 Die obige Reaktionsgleichung lässt sich aus diesem Grund mit gleicher Berechtigung von rechts nach links lesen. Ein Acetat-Anion reagiert mit einem Oxoniumion zu Wasser und Essigsäure. In dieser Leserichtung findet eine basische Reaktion statt: die Umsetzung von Hydroxoniumionen zu Wassermolekülen. Setzt man einer Essigsäurelösung in geeigneter Menge Acetat-Anionen, beispielsweise in Form des gut löslichen Natriumacetats zu, kann die saure Eigenschaft der Essigsäure vollständig durch die basische Eigenschaft des AcetatIons kompensiert werden. Die wässrige Lösung wird neutralisiert. Neutral heißt auch hier keineswegs, dass nichts in der Lösung passiert. Nur die Konzentration der H3O+-Ionen ist so gering wie in reinem Wasser. Ergänzend soll nun die basische Reaktion betrachtet werden, die auftritt, wenn Natriumacetat in reinem Wasser gelöst wird: Hier bilden sich Hydroxidionen (OH ). Fügt man dieser Acetatlösung eine geeignete Menge an wässriger Essigsäurelösung zu, wird die Lösung neutral. Es stellt sich zwischen H3O+ und OH-- das Gleichgewicht ein, das zu Anfang als Grundeigenschaft von Wasser vorgestellt wurde und als Gleichung andersherum dargestellt ist. Eine Säure kann man als chemische Verbindung auffassen, die über die Fähigkeit verfügt, in wässriger Lösung H3O+ -Ionen zu bilden oder OH Ionen zu Wassermolekülen zu überführen. Eine Base hingegen verfügt in wässriger Lösung über die Fähigkeit, OH -Ionen zu bilden oder H3O+ zu H2O zu überführen.

7 Eigenschaften von Säuren: - Die Eigenschaften von Säuren, insbesondere die Gefahren, sind sehr unterschiedlich: Säuren greifen besonders unedle Metalle und Kalk an (allgemein alle organischen Materialien). - Es gibt starke und schwache Säuren. - Chlorwasserstoff ist eine starke Säure, sie dissoziiert in Wasser vollständig. Die wässrige Lösung ist Salzsäure. - Essigsäure ist eine schwache Säure, sie dissoziiert in Wasser nur zum Teil. - Säuren kann man mit Wasser verdünnen, dabei wird die Wirkung deutlich schwächer. - Das Verdünnen von konzentrierten Säuren ist eine exotherme Reaktion. Es ensteht viel Wärme. - Säuren müssen nicht immer Flüssigkeiten sein. - Säuren die rein als Feststoff vorliegen sind z.b. Vitamin C. - Eine gasförmige Säure ist z.b. Chlorwasserstoff. - Wässrige Lösungen von Säuren färben Lackmuspapier von Blau zu rot. - In Wasser gelöste Säuren leiten elektrischen Strom. - Hierbei erfolgt eine Elektrolyse, bei der sich an er Kathode (Minuspol) Wassertoff und an der Anode (Pluspol) der neutralisierte Stoff des Säureanions bilden. - An der Kathode erfolgt die Reduktion (Elektronnaufnahme), an der Anode die Oxidation (Elektronenabgabe) Beispiele für Säuren Wichtige Säuren sind: Schwefelsäure: H2SO4 (industrielle Verwendung, Saurer Regen) Salzsäure: HCl (industrielle Verwendung) Phosphorsäure: H3PO4 (Lebensmittelindustrie, unter anderem Cola, DNA) Kohlensäure: H2CO3 (Lebensmittelindustrie, Technik, Atmosphäre) Essigsäure: CH3COOH (Lebensmittelindustrie) Flusssäure: HF (Computerchipherstellung) Salpetersäure: HNO3 (industrielle Verwendung)

8 Basen: Im engen Zusammenhang mit Basen stehen in der Regel und ohne ausdrückliche Erwähnung die Anwesenheit von Wasser mit seinen bestimmten Eigenschaften. Reines Wasser unterliegt der Autoprotolyse, d.h. Es bilden sich in geringen und gleichen Konzentrationen Oxoniumionen (H3O+)und Hydroxidionen (OH-). In dieser Reaktionsgleichung des Wassers zeigt sich die Eigenschaft einer Base in Wasser durch die Bildung von OH -Ionen. Gleichzeitig bilden sich H3O+-Ionen, eine Eigenschaft die eine Säure auszeichnet. Man bezeichnet Wasser aber weder als Säure noch als Base, sein Verhalten ist neutral. Dies bezieht sich auf den ph-wert von 7, der die Konzentration der H3O+-Ionen in Wasser angibt. Diese Reaktion ist, wie alle in diesem Abschnitt beschriebenen Reaktionen, eine Gleichgewichtsreaktion: Die Bildung der Ionen sowie deren Vereinigung zu Wasser findet ständig und mit gleicher Häufigkeit statt. Neutral heißt also nicht, dass nichts passiert. Viele Verbindungen, die Basen genannt werden, verfügen über Hydroxid-Ionen und dissoziieren im Wasser in Metall- und Hydroxid-Ionen. Die Lösung wird häufig als alkalische Lösung oder Lauge bezeichnet. So bildet Natriumhydroxid (NaOH) in Wasser die sogenannte Natronlauge und Kaliumhydroxid (KOH) die Kalilauge.

9 Eigenschaften von Basen: Viele Basen sind in Wasser löslich (z. B. Natriumhydroxid, Ammoniak), jedoch nicht alle. Sie sind ätzend, sie haben auf pflanzliche und organische Stoffe zerstörende Wirkung. Aus Ölen und Fetten bilden sie Seifen und Glyzerine. Es gibt starke und schwache Basen. Basen kann man mit Wasser verdünnen, wobei ihre Wirkung je nach Verdünnung schwächer wird. Basische Lösungen färben Lackmuspapier blau. Paare: Bei schwachen und mittelstarken Basen liegen in den Gleichgewichtsreaktionen alle an der Reaktion beteiligten Komponenten in der Lösung vor. Je zwei der Reaktionspartner unterscheiden sich nur durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Protons (H+). Säure-Basen-Reaktionen lassen sich also in zwei Teilreaktionen zerlegen, die beide als Protolyse bezeichnet werden: 1. Protonenabgabe: 2. Protonenaufnahme: Beispiel: beim Auflösen von Chlorwasserstoffgas in Wasser ensteht Salzsäure.. Hierbei dient der Ampholyt Wasser als Base: Sie bilden ein korrespondierendes Säure-Basen-Paar. Teilchen, die über ein geeignetes Proton verfügen werden Protonendonatoren genannt.

10 Teilchen die die Fähigkeit besitzen ein Proton aufzunehmen werden Protonenakzeptoren genannt. Wasser spielt in Säure-Basen-Reaktionen eine wichtige Rolle. Es kann Protonen abgeben und OH-- bilden, oder Protonen aufnehmen und H3O+ bilden. Dies ist sowohl eine Reaktion als Base als auch als Säure. Neutralisation: Die Grundlage der Neutralisation beruht darauf, daß sich die Wirkung einer Säure beim Mischen mit einer Base nicht addieren, sondern aufheben. So kann eine Base mit einer bestimmten Menge einer Säure neutralisiert werden. Basen und Säuren reagieren dabei unter der Bildung von Wasser. Puffer: Ein Puffer ist ein Stoffgemisch, dessen ph-wert (Konzentration der Oxoniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder eine Base wesentlich weniger stark ändert, als in einem ungepufferten System. Die Wirkung des Puffers beruht auf der Umsetzung der durch die Säure bzw. Base zugeführten Oxoniumionen (H3O +) der Hydroxidionen ( OH ) zu schwachen Säuren bzw. Basen, die selbst nur wenig zu Bildung von H3O +bzw. OH -Ionen neigen. Puffer sind die in der Chemie gezielt hergestellten, wässrigen Pufferlösungen Komplexere Pufferlösungen liegen in Körperflüssigkeiten wie dem Blut vor. Die Pufferung, das Abfangen durch Bindung oder Ausscheidung überschüssiger H +-Ionen (oder OH -Ionen) geschieht durch folgende Mechanismen: Puffersysteme des Blutes und anderer Organe. Abgabe von CO2 durch die Lunge. Ausscheidung der Säuren durch die Niere.

11 Chemische Grundlagen der Pufferlösung: Starke Säuren dissoziieren in wässrigen Lösungen stärker als schwache Lösungen: Salzsäure zu über 90%, Schwefelsäure zu etwa 60%, Essigsäure nur zu 1,3% Kohlensäure nur zu 0,17%. Schwache Säuren spielen bei der Pufferung in Körperflüssigkeiten eine große Rolle. Pufferlösungen enthalten eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten bzw. korrespondierenden Base, oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten bzw. korrespondierenden Säure. Was eine konjugierte Säure oder Base ist, ergibt sich aus der Definition von Säure und Base: Eine Säure ist ein Stoff, der mindestens ein Proton abgibt. Das daraus entstehende Teilchen kann seinerseits ein Proton aufnehmen und ist demnach eine Base (die konjugierte Base). Eine Base ist ein Stoff, der mindestens ein Proton aufnimmt. Das daraus entstehende Teilchen kann seinerseits ein Proton abgeben und ist demnach eine Säure (die konjugierte Säure). In der Reaktion HCl + H2O ----> H3O+ + Clist HCl eine Säure (gibt ein Proton ab) und Cl- die konjugierte Base; H2O nimmt ein Proton auf, fungiert also als Base, das H3O+ ist die konjugierte Säure. Der den ph-wert bestimmenden Faktor ist das Verhältnis bzw. das Protolyse-Gleichgewicht des Pufferpaares. Für das Säure-Base-Gleichgewicht einer schwachen Säure gilt: Ks: Säurekonstante, HA: allgemeine Säure, A :allgemeine Base.

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13 Bedeutung von Puffersystemen: Puffersysteme haben eine wichtige Bedeutung in den Biowissenschaften: Für viele Tiere und dem menschlichen Organismus sind Puffer unerlässlich. So sind die menschlichen Blutkörperchen und viele Enzyme auf einen konstanten ph-wert angewiesen. Ohne Puffer würden bereits kleinste Mengen Säure, z.b. Laktat dem Energiestoffwechsel genügen, um den Organismus lahmzulegen, weil einige Proteine denaturieren würden. Es gibt verschiedene Puffersysteme im Körper des Menschen: Bikarbonatpuffer (extra zellulär) Hämoglobinpuffer, Phosphatpuffer (intrazellulär und Harn) Proteinpuffer im Plasma ph-wert Der ph-wert (lat. potentia, Kraft und hydrogenium, Wasserstoff) ist ein Maß für die saure oder alkalische Reaktion einer wässrigen Lösung. Der ph-wert ist eine dimensionslose Zahl. Er ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. ph < 7 entspricht einer Lösung mit saurer Wirkung ph = 7 entspricht absolut reinem Wasser oder einer neutralen Lösungsmittel ph > 7 entspricht einer alkalischen Lösung (basische Wirkung) Wir wissen, daß Wasser, vor allem reines, neutral ist. Es enthält also die gleiche Menge H3O + -Ionen und OH -Ionen: In 1 Liter Wasser befinden sich bei 22 C 0, mol H3O + -Ionen und dieselbe Menge OH -Ionen.

14 In Potenzschreibweise: mol. Die H+ -Ionenkonzentration einer sauren Lösung ist stets höher als Die H+ -Ionenkonzentration einer alkalischen Lösung ist stets niedriger als Eine neutrale Lösung hat also einen ph-wert von: - log 10-7 = 7

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16 Messung des ph-wertes Der ph-wert einer Lösung kann mit unterschiedlichen Methoden ermittelt werden. Für uns in der Praxis ist die Bestimmung durch die Reaktion eines Indikatorfarbstoffes die wichtigste. Die Auswertung erfolgt meist durch einen Farbvergleich. Dabei kann für einen sehr engen Bereich der Farbumschlag eines einzelnen Farbstoffes ausgenutzt werden, oder es kommen für einen größeren Bereich Farbstoffgemische Universalindikatoren zum Einsatz, die unter anderem aus Lackmus und Phenolphtalein bestehen. Werden Säuren in Wasser gelöst, geben diese durch Dissoziation Wasserstoffionen an das Wasser ab, der ph-wert sinkt. Werden Basen gelöst, geben diese Hydroxidionen ab, die Wasserstoffionen aus der Dissoziation des Wassers binden, Basen erhöhen den ph-wert. Der ph-wert ist ein Maß der Menge an Säuren und Basen in einer Lösung.

17 Die Bedeutung des ph-wertes für den Menschen Der für den Menschen verträgliche Bereich des ph-wertes von Blut und Zellflüssigkeit ist beschränkt. Der ph-wert des Blutes wird durch ein komplexes Puffersystem von gelöstem Gas, Salzen und Proteinen, dem sogenannten Blutpuffer, eingestellt. Normal ist ein ph-wert von 7,35 7,45 in arteriellem Blut. Der ph-wert des Blutes wirkt auf das Hämoglobin. Je geringer der ph-wert ist, desto weniger Sauerstoff kann dieses binden. Wird im Gewebe durch die Atmungs-Kohlensäure der ph-wert des Blutes gesenkt, gibt deshalb das Hämoglobin Sauerstoff ab. Wird umgekehrt in der Lunge Kohlendioxid abgeatmet, so steigt dort der phwert des Blutes und somit die Aufnahmefähigkeit des Hämoglobins für Sauerstoff. Auch bei der menschlichen Fortpflanzung hat der ph-wert eine entscheidende Bedeutung: Während das Scheidenmilieu zur Abwehr von Krankheitserregern sauer ist, hat das Sperma des Mannes einen basischen ph-wert. Die beim Geschlechtsakt einsetzende Neutralisationreaktion führt zu einem optimalen Milieu zur Bewegung der Spermien. Die haut des menschlichen Körpers ist leicht sauer, bei einem ph-wert von ca. 5,5. Der Säuremantel ist ein Schutz vor Krankheitserreger. Seifen sind deutlich basisch und trocknen die Haut aus, sie entfernen die Fettschicht und zerstören die Säureschicht.

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