Welches Lebensmittel ist rund und besteht aus E440, E460, E501, E570, E296, E330, …? (Abb. 1.1) Klingt ganz schön ungesund. Ist es aber nicht. Das gesuchte Lebensmittel ist ein Apfel (Abb. 1.2). Hinter der Nummer E330 versteckt sich die Citronensäure.
Citronensäure ist nicht gleich Zitronensaft. Die Citronensäure wurde ursprünglich aus dem Saft von Zitronen gewonnen und hat daher ihren Namen erhalten (Abb. 1.3). Mit Citronensäure meinen wir die reine Säure. Zitronensaft besteht neben Citronensäure unter anderem aus Wasser, Vitaminen und Mineralstoffen.
Reine Citronensäure findest du auch in der Abteilung für Putzmittel. Durch ihre Eigenschaften dient Citronensäure dazu, Kalk und Rost zu lösen. Sie wird auch als Wasserenthärter und Weichspüler verwendet.
Was die Citronensäure noch alles kann, erfährst du in diesem Artikel.
Citronensäure ist nicht nur in Zitronen enthalten
Natürlicherweise kommt Citronensäure nicht nur in Zitronen vor, wie du eben am Beispiel des Apfels erfahren hast (Abb. 1.2). Wir können sie auch in Nadelhölzern und Pilzen sowie Wein und Milch finden.
| Früchte mit Citronensäure | Anteil |
|---|---|
| Zitronen | 5 % |
| Sauerkirschen, Birnen, Rote Johannisbeeren, Himbeeren | 2 % |
| Orangen, Grapefruits, Kiwis | 1 % |
Citronensäure kann aus Zitronensaft gewonnen werden, muss aber nicht
Zitronen haben unter den Früchten den größten Anteil an Citronensäure. Bevor eine Technologie entwickelt wurde, um Citronensäure chemisch herzustellen, wurde Citronensäure tatsächlich aus Zitronensaft gewonnen. Dabei werden Chemikalien zu der Lösung gegeben, wobei sich Feststoffe bilden, die herausgefiltert werden können. Durch den Prozess von Lösen und Ausfallen von Feststoffen und anschließendes Abfiltrieren bleibt am Ende die reine Citronensäure übrig.
Zitronensaft wird erst einmal mit einer Ammoniaklösung versetzt. Dabei entsteht Ammoniumcitrat.
$\ce{3 NH3 + C6H8O7 -> (NH4)3C6H5O7}$
Dann wird Calciumchlorid zu dem Ammoniumcitrat gegeben. Dabei entstehen Ammoniumchlorid und Calciumcitrat, welches als Feststoff ausfällt. Dieser Feststoff wird wieder abfiltriert.
$\ce{2 (NH4)3C6H5O7 + 3 CaCl2 -> 6 NH4Cl + Ca3(C6H5O7)2 v}$
Calciumcitrat wird mit 25%iger Schwefelsäure versetzt, wobei Calciumsulfat (Kalk) als Feststoff ausfällt. Die reine Citronensäure bleibt in gelöster Form übrig.
$\ce{Ca3(C6H5O7)2 + 6 H2SO4 -> 6 CaSO4 v + C6H8O7}$
Citronensäure steckt in vielen Produkten und Lebensmitteln unseres Alltags. Für diesen Verbrauch würden wir sehr viele Zitronen gebrauchen, die nicht zur Verfügung stehen. Der Großteil der Citronensäure wird biotechnisch hergestellt. Mithilfe von Schimmelpilzen und der Fermentation zuckerhaltiger Rohstoffe wie Melasse und Mais wird Citronensäure hergestellt.
Citronensäure ist nicht für jeden Kalk geeignet
Reine Citronensäure wird in Drogerien als Kalklöser für Töpfe, Geschirr und Elektrogeräte wie Kaffeemaschinen, Wasserkocher usw. angeboten (Abb. 2). Wer das Reaktionsverhalten der Citronensäure kennt, ist jedoch vorsichtig beim Einsatz von Citronensäure bei Geräten, die heiß werden.
Wenn du Kalk (Calciumcarbonat) mit Citronensäure löst, bildet sich ein wasserlöslicher Komplex (Calcium Dicitrato-Komplex). Bleibt dieser Komplex als Rückstand in der Kaffeemaschine und später erhitzen sich die Schläuche, reagiert der Komplex zu Calciumcitrat.
Du hast eben bei der Herstellung von Citronensäure gelernt, dass Calciumcitrat in Wasser sehr schwer löslich ist. Wenn Calciumcitrat in den Schläuchen zurück bleibt und zum Kaffeekochen Wasser durch die Schläuche fließt, kann sich der Feststoff Calciumcitrat sammeln und die Schläuche wieder verstopfen. Du kannst Calciumcitrat wieder lösen, wenn du weitere Säure nachschüttest. Calciumcitrat löst sich in saurer Umgebung.
Citronensäure gehört zu den Hydroxy-Carbonsäuren
Reine Citronensäure ist bei Zimmertemperatur ein Feststoff (Abb. 3.1). Sie besteht aus vielen kleinen Kristallen, die dich vom Aussehen her vielleicht an Salz oder Zucker erinnern. Im Supermarkt oder in der Drogerie kannst du Citronensäure auch als Lösung kaufen. Sie ist dann mit Wasser gemischt.
Unter dem Mikroskop kannst du die Kristalle der Citronensäure erkennen (Abb. 3.2). Sie haben eine rhombische Form.
Das Molekül der Citronensäure besteht aus einer Kette von drei Kohlenstoff-Atomen mit zwei endständigen Carboxyl-Gruppen und an dem mittleren Kohlenstoff-Atom ebenfalls eine Carboxyl- sowie eine Hydroxy-Gruppe (Abb. 3.3). Wegen der funktionellen Gruppen gehört die Citronensäure zu den Hydroxy-Carbonsäuren. Durch die drei Carboxyl-Gruppen ist die Citronensäure eine dreiprotonige Carbonsäure. Die systematische Bezeichnung der Citronensäure ist 2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure.
Dreiprotonige Carbonsäure mit nur einem sichtbaren Äquivalenzpunkt
Wie du eben anhand der Struktur des Citronensäure-Moleküls erfahren hast, ist die Citronensäure mit ihren drei Carboxyl-Gruppen eine dreiprotonige Säure. Das bedeutet, dass sie in einer Säure-Base-Reaktion nach und nach drei Wasserstoff-Ionen abgeben kann. Diese werden an andere Moleküle, z.B. Wasser, gebunden.
Bei der Säure-Base-Titration kannst du dreiprotonige Säuren daran erkennen, dass es drei Sprünge des pH-Wertes gibt (Abb. 4). Gibst du zu einer sauren Lösung tropfenweise eine basische Lösung, verändert sich der pH-Wert erst nur leicht. Auf einmal verändert sich der pH-Wert schlagartig. Diese Sprünge nennen wir Äquivalenzpunkte. Die Citronensäure muss als dreiprotonige Säure bei der Säure-Base-Titration drei Äquivalenzpunkte haben. Bei der Titration kannst du aber nur einen Äquivalenzpunkt beobachten.
Gehe diesem Phänomen in dem Versuch zur Titration der Citronensäure und der Phosphorsäure genauer nach!
Zusammenfassung
Citronensäure ist eine dreiprotonige Carbonsäure, hat also drei Carboxyl-Gruppen gebunden. Bei der Säure-Base-Titration ist allerdings nur ein Äquivalenzpunkt zu beobachten. Ursprünglich wurde Citronensäure aus Zitronensaft gewonnen. Citronensäure ist aber noch in vielen weiteren Früchten enthalten. Heute wird Citronensäure mithilfe von Fermentation durch einen Schimmelpilz hergestellt. Citronensäure bildet mit Calciumcarbonat einen Komplex, der bei hohen Temperaturen zum wasserunlöslichen Calciumcitrat reagiert. Calciumcitrat löst sich bei saurem pH-Wert.