Wer hat nicht schon in einen sauren Apfel gebissen oder das Gesicht bei einer Zitrone verzogen. Die menschliche Zunge kann verschiedene Geschmäcker durch Geschmackspapillen auf der Zungenoberfläche wahrnehmen, darunter auch die Stoffeigenschaft sauer, die vornehmlich im hinteren Teil der Zunge (siehe Abb. 4.2) wahrgenommen wird.
Schauen wir mal genauer hin, was da die Zunge wahrnimmt. Es schadet sicher auch nichts, wenn wir uns etwas in die biologischen Einzelheiten vertiefen.

Über die Zungenoberfläche sind verschiedene Geschmackspapillen verteilt (siehe Abb. 4.3). Diese enthalten Sinneszellen mit Mikrovilli (Bürstensaum). In den Membranen der Mikrovilli sind wie in allen Membranen üblich verschiedene Tunnelproteine enthalten.
Bei den Säure wahrnehmenden Sinnenszellen sind dies Kalium-Kanäle (Abb. 4.4). Space Über diese Kalium-Kanäle strömen normalerweise Kaliumionen nach außen. Sind jedoch im umgebenden Medium (Speichel, Speise, Getränk) H+-Ionen, werden die Kaliumkanäle verschlossen und Kalium kann nicht mehr nach außen diffundieren. Dies führt in der Sinneszelle zu einer erhöhten Kalium-Konzentration was an anderen Membranstellen eine Ladungsumkehr (Depolarisation) auslöst, die an der ableitenden Nervenzelle zu einem Stromfluß führt. Der Strom wird dann ins Zwischenhirn geleitet und führt dort zur Wahrnehmung sauer.

Die Geschmackssinneszelle nimmt also H+-Ionen (= Protonen) wahr.

Zitronensaft enthält 7 - 9% Zitronensäure (siehe Abb.1). Alle Früchte enthalten irgendwelche Fruchtsäuren, wie die eben genannte Zitronensäure (Zitrusfrüchte) Oxalsäure (am meisten verbreitet; z.B. Rhabarber), Äpfelsäure (Äpfel, Aprikosen, Kirschen), Weinsäure (Trauben, Mango), Fumarsäure, Essigsäure, Bernsteinsäure (in allen Früchten).

Mißt man mit einem modernen Digital-pH-Meter saure Flüssigkeiten, erhält man folgende Werte:

Das Gerät mißt genau dasselbe wie die Geschmackspapillen der Zunge nämlich die H+-Ionen- Konzentration der Lösung. Dies wird in elektrische Signale umgewandelt und auf einem Display als sogenannter pH-Wert ausgegeben, ein Zahlenwert, der von 0 - 14 gehen kann. Und dies ist der Unterschied zum Organismus. Das Gehirn spukt keinen Zahlenwert aus sondern die Empfindung weniger oder mehr sauer.
Bemerkenswert ist also, daß Natur und Technik fast bis ins Detail funktionell gleich arbeiten.

pH ist eine Abkürzung und bedeutet lateinisch "pondus hydrogenii", was soviel wie Kraft des Wassers heißt. Die Eigenschaft saurer Lösungen mit einem Wert zu verbinden geht auf den dänischen Chemiker, Soren Sorensen zurück, der 1909 den pH-Wert einer Lösung als negativen 10er-Logarithmus der H+-Ionen Konzentration formulierte.

pH = - log [H⁺] oder pH = - log [H₃O⁺]

Durch diese Umrechnung erhält man kleine Zahlen. Neutrales Wasser liefert den Wert 7, d.h. eine H⁺-Ionen-Konzentration von 10^-7 Mol/Liter. Beim Essig der Tabelle oben ist die H⁺-Ionen Konzentration = 10^-3 Mol/Liter (pH = - log [10^-3] also höher als bei destilliertem Wasser. Deshalb ist Essig auch stärker sauer.

Daß Säuren Stoffe sind, die in Lösung H+-Ionen (= Protonen) abgeben, also dissoziieren (= zerfallen) stammt vom schwedischen Chemiker Svante Arrhenius ca. 1880, der 1903 dafür den Nobelpreis erhielt.

Dieser Dissoziationsvorgang der Säuren in wässriger Lösung ist eine Reaktion mit Wasser:

Dabei besteht in der Carboxylgruppe eine stark polare OH-Bindung, die durch die elektronenziehende Wirkung (-I-Effekt) der CO-Bindung noch verstärkt wird. Deshalb wird bei Kontakt mit einem polaren Molekül wie Wasser der Wasserstoff der Carboxylgruppe als H⁺-Ion ohne sein Elektron weggerissen.
Space Ein freies Elektronenpaar des Sauerstoffs beim Wasser wird dann zur Bindung des H⁺-Ions benutzt so daß ein H₃O⁺-Ion entsteht. Die Entstehung dieser Oxoniumionen (früher Oxonium oder Hydroniumionen) sind typisch für die Reaktionen von Säuren in Wasser. (Tatsächlich entsteht vermutlich ein H₉O₄ ⁺ - Ion, ein H⁺-Ion umgeben von 4 H₂O Molekülen.)

Je mehr Säuremoleküle zerfallen (= dissoziieren), je mehr Wassermoleküle werden zu H₃O⁺-Ionen und deren Konzentration steigt. Immer wenn also eine Säure ein H+-Ion abgibt entsteht ein Oxoniumion, weshalb die Zahl der Oxoniumionen einer Lösung auch der Zahl der abgegebenen H+-Ionen entspricht. Deshalb formuliert man den pH-Wert auch wie oben rechts als -log [H₃O⁺].

Die eigentlich saure Reaktion kann auch formal wie folgt formuliert werden. Dabei entsteht immer ein Säurerestion:

Das am Beispiel der Essigsäure beobachtete Verhalten gilt für alle Säuren. Deshalb nennt man seit Brönsted (1923) Säuren auch Protonen-Donatoren oder Protonen-Spender. Brönsteds Säure/Base-Theorie ist allerdings noch umfassender, wie wir gleich sehen werden.
Space Zunächst wollen wir uns noch von einigen anderen Säuren die Dissoziationsgleichung in Wasser ansehen. Neben den organischen Säuren, die wir zu Beginn erwähnt haben gibt es auch anorganische Säuren, die eine noch stärkere Fähigkeit haben, Protonen abzugeben:

Jedoch aus Wasser hat die Fähigkeit Protonen abzugeben. Dabei geht ein H+-Ion von einem Wassermolekül auf das andere über:

Die Polarität des Wasser reicht dazu aus. Es entsteht ein Oxoniumion und ein Hydroxidion (Verhältnis 1 : 1 ) Obwohl zwar Ionen entstehen, gleicht sich die Ladung insgesamt aus und Wasser ist neutral. Der Zerfall ist endotherm:

H2O(l) ----> H+(aq) + OH-(aq) DH=+57 kJ/Mol

Autoprotolyse des Wassers

Man nennt den Protonenübergang im Wasser Autoprotolyse des Wassers. Die meisten Wassermoleküle geben jedoch keine Protonen ab. Die Wasserkonzentration der undissoziierten Wassermoleküle ist riesig gegenüber den Oxoniumionen. Sie ist 55.6 M, d. h. in 1 Liter Wasser befinden sich 55,6 Mole Wasser. (1000 g/ L = (1000/18) mole/L = 55.6 M.

Wendet man auf die Autoprotolyse das Massenwirkungsgesetz an ergibt sich der oben dargestellte Sachverhalt. Da die Wasserkonzentration praktisch konstant ist bildet man daraus eine neue Konstante, Kw. Diese beträgt bei Standardbedingungen 10^-14 und ist das Ionenprodukt des Wassers.

Daraus ergibt sich für reines Wasser eine H₃O⁺-Konzentration bzw. OH--Ionenkonzentration von 10^-7.

Das heißt, in neutralem Wasser befinden sich 10^-7 Mol/Liter Oxoniumionen. Wie wir oben gesehen haben erhöhen Säuren die natürliche Oxoniumionen--Konzentration., dadurch daß sie weitere Oxoniumionen erzeugen. Der pH-Wert von reinem Wasser ist deshalb 7.

Mißt man den pH-Wert anderer Lösungen stellt man fest, daß es auch welche gibt, die einen niedrigere H+-Ionenkonzentration haben als reines Wasser also einen höheren pH-Wert als 7.
Dies kann nur so erklärt werden, daß aus der Lösung Protonen (=H+-Ionen) aufgenommen werden. Dies geschieht z.B. bei der Lösung von Ammoniak in Wasser:

Dadurch verringert sich die H⁺-Ionen-Konzentration und vergrößert sich die OH^- -Ionen-Konzentration im Wasser. Dasselbe geschieht bei z.B. Hydroxidverbindungen:

Stoffe die Protonen aufnehmen (=akzeptieren) nennt man Basen oder Protonenakzeptoren. Die Lösungen sind Laugen und wirken alkalisch.

Die eigentlich basische Reaktion ist also: