3.21: Säuren, Basen und Neutralisationsreaktionen

Säuren und Basen spielen in der Biologie mehrere wichtige Rollen. Der pH-Wert eines biologischen Systems kann die Funktion von biologischen Molekülen, einschließlich Enzymen, Proteinen und Nukleinsäuren, signifikant beeinflussen. Enzyme haben beispielsweise einen optimalen pH-Bereich für ihre Aktivität, und Veränderungen im pH-Wert können ihre Struktur denaturieren oder verändern und somit ihre Funktion beeinflussen. Säuren und Basen spielen auch eine entscheidende Rolle in der zellulären Signalgebung und Kommunikation. Der pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit um die Zellen herum kann die Aktivität von Ionenkanälen beeinflussen, die für die zelluläre Kommunikation und Signalgebung essentiell sind.

Säuren

Eine Säure ist eine Substanz, die in Lösung Wasserstoffionen (H⁺) freisetzt. Da ein Wasserstoffatom nur ein Proton und ein Elektron hat, ist ein positiv geladenes Wasserstoffion einfach ein Proton. Dieses einzelne Proton nimmt sehr wahrscheinlich an chemischen Reaktionen teil. Starke Säuren sind Verbindungen, die all ihre H⁺ in Lösung freisetzen; das heißt, sie ionisieren komplett. Salzsäure (HCl), die von Zellen der Magenschleimhaut freigesetzt wird, ist eine starke Säure, da sie all ihre H⁺ in der wässrigen Umgebung des Magens freisetzt. Diese starke Säure hilft bei der Verdauung und tötet aufgenommene Mikroben ab. Schwache Säuren ionisieren nicht vollständig; das heißt, einige ihrer Wasserstoffionen bleiben innerhalb einer Verbindung in Lösung gebunden. Ein Beispiel für eine schwache Säure ist Essig oder Essigsäure.

Basen

Eine Base ist eine Substanz, die Hydroxidionen (OH^-) in Lösung freisetzt oder bereits in Lösung vorhandenes H⁺ aufnimmt. Die Hydroxidionen (auch als Hydroxylionen bezeichnet) oder andere basische Substanzen kombinieren sich mit vorhandenem H⁺, um ein Wassermolekül zu bilden und somit H⁺ zu entfernen und die Azidität der Lösung zu verringern. Nahrung, die mit Salzsäure aus dem Magen vermischt ist, würde den Dünndarm verbrennen, den nächsten Abschnitt des Verdauungstrakts nach dem Magen, wenn nicht Bicarbonat (HCO₃^-) freigesetzt würde, eine schwache Base, die H⁺ anzieht. Bicarbonat nimmt einige der H⁺ Protonen auf und verringert somit die Säure der Lösung.

Neutralisationsreaktionen

Eine Neutralisationsreaktion ist ein spezieller Typ einer Säure-Basen-Reaktion, bei der die Reaktanten eine Säure und eine Base (aber kein Wasser) sind, und die Produkte oft Salz und Wasser sind.

Betrachten Sie, was passiert, wenn ein typisches Antazidum wie Magnesia-Milch (eine wässrige Suspension von festem Mg(OH)₂) eingenommen wird, um Symptome im Zusammenhang mit überschüssiger Magensäure (HCl) zu lindern. Neben Wasser produziert diese Reaktion auch ein Salz, Magnesiumchlorid. Solche Reaktionen sind von zentraler Bedeutung für zahlreiche natürliche und technologische Prozesse, angefangen von den chemischen Umwandlungen, die innerhalb von Zellen, Seen und Ozeanen stattfinden, bis hin zur industriellen Produktion von Düngemitteln, Pharmazeutika und anderen für die Gesellschaft unverzichtbaren Substanzen.

Dieser Text basiert auf Opentsax, Anatomy, and Physiology 2e, Section 2.4 Inorganic Compounds Essential to Human Functioning and Opentsax, Chemistry Atoms First 2e, 7.2 Classifying Chemical Reactions

Säuren sind Verbindungen, die in wässrigen Lösungen in Wasserstoffionen und die entsprechenden Anionen dissoziieren. Sie werden auch als Protonendonatoren bezeichnet, da das H⁺ ein einzelnes Proton ist.

Wenn sich Säuren auflösen, erhöhen sie die Konzentration der Wasserstoffionen in der Lösung und senken so den pH-Wert.

Im Magen zum Beispiel dissoziiert Salzsäure in ein Proton und ein Chlorid-Ion, wodurch der saure pH-Wert, der für die Verdauung unerlässlich ist, aufrechterhalten wird.

Basen sind Substanzen, die die Konzentration von Hydroxidionen in einer Lösung erhöhen. Wenn sich Basen auflösen, verringern sie die Konzentration von Wasserstoffionen in der Lösung und erhöhen den pH-Wert.

Gängige Basen, wie Natriumhydroxid, dissoziieren in wässrigen Lösungen in Hydroxid-Ionen und entsprechende Kationen.

Nicht-Hydroxid-Basen wie Ammoniak nehmen Protonen aus Wasser auf und erzeugen dabei Ammoniumionen und Hydroxidionen.

Wenn eine Säure und eine Base gemischt werden, durchlaufen sie eine Neutralisationsreaktion, bei der Salz und Wasser entstehen. Zum Beispiel reagiert ein Antazida, eine Base wie Magnesiumhydroxid, mit Magensäure, um Magnesiumchlorid und Wasser zu erzeugen, wodurch saurer Reflux gelindert wird.