Säuren und Basen auf Teilchenebene

Beobachtung

Wenn du saure Lösung auf Kalk gibst, löst sich der Kalk nach und nach. Du kannst auch Gasblasen erkennen, die sich bilden. Eventuell hörst du es auch leicht zischen.

Ergebnis

Kalk ist das umgangssprachliche Wort für den Fachbegriff Calciumcarbonat. Calciumcarbonat ist schwerlöslich. Deswegen kannst du es im Wasserkocher und im Badezimmer als weiße Ablagerung erkennen. Aufgrund der schweren Löslichkeit von Calciumcarbonat können Krustentiere auch einen schützenden Panzer aus diesem Stoff besitzen, obwohl sie selbst im Wasser leben.

Verändert sich der pH-Wert und wird leicht sauer, reagiert allerdings das Calciumcarbonat mit der Säure. Dabei löst sich das Calciumcarbonat. Die Calcium-Ionen gehen in die Lösung. Das Carbonat reagiert mit der Säure zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid und zu Wasser.

Je nachdem, welche Säure du verwendest, bilden sich unterschiedliche Produkte.

Calciumcarbonat und Essigsäure reagieren zu Calciumacetat, Kohlenstoffdioxid und Wasser.

$\ce{CaCO3 + 2 CH3COOH -> Ca(CH3COO)2 + CO2 + H2O}$

Calciumcarbonat und Salzsäure reagieren zu Calciumchlorid, Kohlenstoffdioxid und Wasser.

$\ce{CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + CO2 + H2O}$

Im Meer ist die Kohlensäure für die Veränderung des pH-Werts verantwortlich. Sie entsteht im Gleichgewicht aus dem Kohlenstoffdioxid in der Luft. Als Folge lösen sich die Panzer der Krustentiere und Korallen, die aus Calciumcarbonat bestehen.

Verdrängungsreaktion

Die oben erläuterte Reaktion von Calciumcarbonat mit Säure nennen wir Verdrängungsreaktion. Bei Verdrängungsreaktionen vertreibt die starke Säure die schwache Säure aus ihrem Salz. In unserem Fall ist die stärkere Säure die Essigsäure oder Salzsäure, die du im Experiment zum Calciumcarbonat dazu gibst. Das Salz, bei dem die Verdrängung stattfindet, ist das Calciumcarbonat. Carbonate sind die Salze der Kohlensäure \(\ce{(H_2CO_3)}\). Gibst du also eine stärkere Säure zu dem Salz Calciumcarbonat, wird das Carbonat-Ion \(\ce{(CO_3^2-)}\) verdrängt. Die übrig gebliebenen Calcium-Ionen bilden dann mit den Anionen der stärkeren Säure ( also den Chlorid-Ionen \(\ce{(Cl^-)}\) der Salzsäure oder den Acetat-Ionen der Essigsäure \(\ce{(CH_3COO^-)}\) ) ein neues Salz (Calciumchlorid bei Zugabe  von Salzsäure oder Calciumacetet bei Zugabe von Essigsäure).

Das verdrängte Carbonat-Ion \(\ce{(CO_3^2-)}\) reagiert mit den Protonen der stärkeren Säure zur schwachen Kohlensäure, welche jedoch nicht stabil ist und weiter zerfällt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser:

\(\ce{H_2CO_3 -> H_2O + CO_2}\)

Insgesamt vertreibt also bei einer Verdrängungsreaktion die starke Säure die schwache Säure aus ihrem Salz. Durch diesen Vorgang entstehen das Salz der starken Säure (in diesem Fall Calciumchlorid oder Calciumacetat) und die schwache Säure (Kohlensäure, welche jedoch weiter zerfällt).

User:Nino Barbieri, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Durch den leicht sauren Regen reagiert das Calciumcarbonat im Kalkstein mit den Säure-Molekülen. Diese Reaktion führt dazu, dass der Kalkstein spröde wird und sich löst. Skulpturen, Denkmäler und Gebäude wirken wie angefressen und müssen restauriert werden, damit sie nicht verfallen (Abb. 2).