Säuren unterscheiden sich in ihrer Säurestärke. Dies ist der Grund, wieso Du etwa eine Zitrone essen kannst, ohne dass die in Zitronen enthaltene Zitronensäure Deine Schleimhaut oder Speiseröhre verätzt. Die Zitronensäure gehört zu den sogenannten Carbonsäuren. Was Carbonsäuren sind, wie hoch der sogenannte pKS-Wert der Zitronensäure ist und wovon die Säurestärke von Carbonsäuren abhängt, erfährst Du in dieser Erklärung.
pKS-Werte von Carbonsäuren – Grundlagen
Um zu verstehen, welche Einflüsse Auswirkungen auf den pKS-Wert von Carbonsäuren haben, ist es wichtig, dass Du die Begriffe "pKS-Wert", "Carbonsäure" und den "induktiven Effekt" kennst.
pKS-Wert
Der pKS-Wert gibt an, wie stark oder schwach eine Säure in wässriger Lösung ist.
Je kleiner der pKS-Wert einer Säure ist, desto stärker ist diese. Umgekehrt gilt, je größer der pKS-Wert einer Säure ist, desto schwächer ist sie. Da es sich bei Carbonsäuren, wie der Name schon andeutet, um Säuren handelt, besitzen auch sie pKS-Werte.
Wenn Du mehr über den pKS-Wert oder dessen Berechnung und Herleitung erfahren möchtest, dann schaue Dir unbedingt die passende Erklärung dazu an.
Carbonsäuren
Bestimmt hast Du schon einige Säuren in der Schule kennengelernt: Salzsäure, Ameisensäure, Phosphorsäure, Essigsäure, Zitronensäure und noch viele mehr. Einige dieser Säuren, wie die Ameisen-, Essig- und Zitronensäure gehören zu den sogenannten Carbonsäuren.
Carbonsäuren sind organische Verbindungen, die mindestens eine Carboxylgruppe (-COOH) besitzen. Je nachdem, aus wie vielen Carboxylgruppen eine Carbonsäure besteht, unterscheidet man zwischen Mono-, Di- oder Tricarbonsäuren.
Willst Du mehr über den Aufbau und die Eigenschaften der Carboxylgruppe, oder zu Vertretern der Carbonsäuren erfahren, dann schau Dir die dazugehörigen Erklärungen an.
Auffällig ist, dass Carbonsäuren hauptsächlich unter ihren Trivialnamen bekannt sind. Diese geben meist an, wo Du die Säure finden kannst. So nutzen Ameisen die Ameisensäure, um sich vor Feinden zu verteidigen, Essigsäure kommt im Speiseessig vor und Zitronensäure ist in Zitronen enthalten.
Eigenschaften von Carbonsäuren
Durch die Carboxylgruppe reagieren Carbonsäuren in wässriger Lösung sauer. Das bedeutet, dass eine Carbonsäure leicht ein Proton abgegeben kann und somit zum negativ geladenen Ion wird. Dieses Anion wird auch als Carboxylation bezeichnet. Das abgegebene Proton kann wiederum mit einem Wassermolekül zu einem Oxoniumion reagieren, wodurch die wässrige Lösung sauer wird. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Protolyse, oder Protonenübertragungsreaktion.
Gibst Du Essigsäure in Wasser, so gibt diese ihr Proton an ein Wassermolekül ab. Das dadurch entstandene negativ geladene Salz der Essigsäure nennt man auch Acetat-Ion.
Induktiver Effekt
Vom induktiven Effekt, kurz I-Effekt, ist die Rede, wenn die Elektronen einer kovalenten Bindung ungleich verteilt sind. Dabei wird zwischen zwei Kategorien unterschieden:
- dem positiven induktiven Effekt
- und dem negativen induktiven Effekt
Negativer induktiver Effekt (-I Effekt)
Der negative induktive Effekt kommt aufgrund der höheren Elektronegativität eines Atoms zustande. Die Elektronegativität gibt an, wie sehr ein Atom bestrebt ist, die Elektronen seines Bindungspartners zu sich zu ziehen.
Beim negativen induktiven Effekt zieht ein Atom die Elektronen der kovalenten Bindung zu sich. Dieses Atom wird aufgrund dessen auch als elektronenziehend bezeichnet.
Da die Elektronendichte um ein elektronenziehendes Atom höher ist, ist es negativer geladen. Das Atom, von dem die Elektronen weggezogen werden, ist dabei positiver geladen.
Positiver induktiver Effekt (+I Effekt)
Der positive induktive Effekt ist, wie Du wahrscheinlich vermutet hast, das Gegenteil des negativen induktiven Effekts.
Beim positiven induktiven Effekt schiebt ein Atom Elektronen der kovalenten Bindung von sich weg. Ein solches Atom wird daher auch als elektronenschiebend bezeichnet.
Durch den positiven induktiven Effekt ist dieses Atom positiver geladen als das andere Atom der Bindung. Grund für den positiven induktiven Effekt ist die niedrigere Elektronegativität, oder eine negative Ladung des Atoms.
pKS-Werte Carbonsäuren – Gründe für die Acidität
Carbonsäuren können aus zwei Gründen leicht ein (oder mehrere) Proton(en) abspalten. Diese beiden Gründe sind:
Der negative induktive Effekt der Carboxylgruppe
Die Carboxylgruppe gehört zu den funktionellen Gruppen, bei denen der negative induktive Effekt wirkt. Dabei zieht der mit einer Doppelbindung an das Kohlenstoffatom gebundene Sauerstoff aufgrund der höheren Elektronegativität die Elektronen der Bindung zu sich. Dadurch ist dieses Sauerstoffatom negativer geladen, während das Kohlenstoffatom positiver geladen ist. Durch die geringere Elektronendichte am Kohlenstoffatom zieht das Kohlenstoffatom nun die Elektronen der gebundenen Hydroxygruppe (-OH) zu sich. Dadurch wird die OH-Bindung geschwächt. Dies bewirkt, dass sich das Proton der OH-Gruppe leicht vom Molekül lösen kann.
Die Mesomerie der Carboxylgruppe
Neben dem negativen induktiven Effekt der Carboxylgruppe spielt die Mesomerie dieser funktionellen Gruppe eine noch viel größere Rolle. Das Carboxylation einer Carbonsäure ist mesomeriestabilisiert, was auch dazu beiträgt, dass das Proton leichter von der Carbonsäure abgegeben wird.
Muss man die Bindungsverhältnisse eines Moleküls mithilfe mehrerer Grenzstrukturen, anstatt einer einzigen Strukturformel, darstellen, so spricht man von Mesomerie. Die Elektronenverteilung des Moleküls liegt dabei zwischen den verschiedenen Grenzstrukturen. Da die reale Elektronenverteilung stabiler ist, als die Grenzstrukturen des Moleküls, bezeichnet man mesomere Moleküle auch als mesomeriestabilisiert.
pKS-Werte von Carbonsäuren – Beispiele
Die Erklärung geht im weiteren Verlauf auf die Ursachen der verschiedenen Säurestärken von Carbonsäuren ein. Dazu benötigst Du das grundlegende Wissen zu Carbonsäuren und dem induktiven Effekt vom Anfang dieser Erklärung. In der folgenden Tabelle siehst Du einige Carbonsäuren, deren Summenformel und pKS-Wert.
| Trivialname | Summenformel | pKS-Wert |
| Trifluoressigsäure | F3CCOOH | 0,23 |
| Trichloressigsäure | Cl3CCOOH | 0,65 |
| Dichloressigsäure | Cl2CCOOH | 1,30 |
| Chloressigsäure | ClCH2COOH | 2,81 |
| Ameisensäure | HCOOH | 3,77 |
| Essigsäure | CH3COOH | 4,76 |
| Propionsäure | CH3CH2COOH | 4,88 |
| Oxalsäure | C2H2O4 | 1: 1,232: 4,19 |
| Malonsäure | C3H4O4 | 1: 2,832: 5,69 |
| Bernsteinsäure | C4H6O4 | 1: 4,162: 5,61 |
| Zitronensäure | C6H8O7 | 1: 3,132: 4,763: 6,4 |
Vielleicht ist Dir bei den pKS-Werten der Carbonsäuren aufgefallen, dass einige Carbonsäuren nicht nur einen pKS-Wert besitzen, sondern gleich mehrere. Dies liegt daran, dass es sich bei diesen Carbonsäuren um Di- oder Tricarbonsäuren handelt. Sie haben mehrere Carboxylgruppen, von denen sich ein Proton abspalten kann. Daher besitzen sie nicht nur eine einzige Protolysestufe.
Zusammenhang zwischen der Struktur und dem pKS-Wert von Carbonsäuren
Die Struktur einer Carbonsäure beeinflusst deren Säurestärke. Dabei spielen die induktiven Effekte der Reste eine Rolle, aber auch deren Entfernung zur Carboxylgruppe.
Rest mit positivem induktivem Effekt
Allgemein kann man sagen, besitzt eine Carbonsäure einen Rest mit positivem induktivem Effekt, so wird die Säurestärke abgeschwächt. Je stärker dieser Effekt ist, desto höher ist der pKS-Wert der jeweiligen Carbonsäure.
Die Ameisensäure besteht nur aus einem Wasserstoffatom, das an die Carboxylgruppe bindet. Da Wasserstoffreste weder einen positiven noch einen negativen induktiven Effekt bewirken, wird die Säurestärke durch diesen Rest weder erhöht noch verringert.
Vergleicht man nun die pKS-Werte der Essigsäure (4,76) und der Propionsäure (4,88) mit dem pKS-Wert der Ameisensäure (3,77), so fällt auf, dass diese deutlich über dem pKS-Wert der Ameisensäure liegen. Dies liegt daran, dass Alkylgruppen einen positiven induktiven Effekt bewirken. Je länger dabei die Alkylgruppe ist, desto stärker ist der positive induktive Effekt. Dadurch ist die Wirkung der Carboxylgruppe geringer und somit die Säurestärke schwächer.
Rest mit negativem induktivem Effekt
Besitzt eine Carbonsäure einen Rest mit negativem induktivem Effekt, so erhöht sich die Säurestärke des Moleküls. Je höher der negative induktive Effekt des Restes ist, desto höher ist die Säurestärke der Carbonsäure.
Der pKS-Wert einer Carbonsäure ist geringer, wenn am sogenannten α-C-Atom ein elektronenziehendes Atom bindet. Dies liegt daran, dass dieses C-Atom dann positiver geladen ist, wodurch die negative Ladung der deprotonierten Carboxylgruppe etwas ausgeglichen wird. Das Molekül wird stabilisiert.
Als α-C-Atom wird das Kohlenstoffatom bezeichnet, das direkt an eine funktionelle Gruppe bindet.
Ein Beispiel für ein solches Molekül ist die Chloressigsäure (2,81). Vergleicht man diese noch mit der Dichloressigsäure (1,30) und der Trichloressigsäure (0,65), so fällt auch, dass sich ihre pKS-Werte stark voneinander unterscheiden. Dies liegt ebenfalls am negativen induktiven Effekt der Chloratome. Mit zunehmender Anzahl an Chloratomen einer Chloressigsäure steigt die Säurestärke, der pKS-Wert sinkt also.
Entfernungen von einflussreichen Gruppen zur Carboxylgruppe
Je weiter einflussreiche Gruppen von der Carboxylgruppe entfernt sind, desto schwächer wirkt sich deren Effekt auf die Säurestärke aus. Somit ist der pKS-Wert einer Carbonsäure nicht nur von der Anzahl einflussreicher Gruppen, sondern auch von deren Position im Molekül abhängig.
Wie Du anhand der Säurestärke der 2-Chlorpropionsäure (2,83) und der 3-Chlorpropionsäure (3,98) erkennst, hat die Position des Chloratoms eine große Auswirkung auf den pKS-Wert. Denn je weiter das Chloratom von der Carboxylgruppe entfernt ist, desto schwächer wirkt sich der negative induktive Effekt des Chloratoms auf die Säurestärke aus.
Entfernungen mehrerer Carboxylgruppen
Wenn Du die pKS-Werte der drei Dicarbonsäuren betrachtest, fällt auf, dass sich auch hier die pKS-Werte signifikant voneinander unterscheiden. An den Strukturformeln kannst Du gut erkennen, dass sich die drei Carbonsäuren nur durch die Länge der Kette zwischen den beiden Carboxylgruppen unterscheiden. Je weiter die beiden Carboxylgruppen auseinander liegen, desto höher ist der pKS-Wert der Säure.
Vor allem in der ersten Dissoziationsstufe unterscheiden sich die pKS-Werte der drei Dicarbonsäuren stark voneinander. In der zweiten Dissoziationsstufe ist der Unterschied, insbesondere zwischen der Malonsäure, sowie der Bernsteinsäure nicht mehr groß.
pKs Werte Carbonsäuren – Das Wichtigste
- Der pKS-Wert gibt an, wie stark oder schwach eine Säure in wässriger Lösung ist.
- Carbonsäuren sind organische Säuren, die mindestens eine Carboxylgruppe (-COOH) besitzen.
- Vom induktiven Effekt, kurz I-Effekt, ist die Rede, wenn die Elektronen einer kovalenten Bindungen ungleich verteilt sind.
- Beim negativen induktiven Effekt zieht ein Atom die Elektronen der kovalenten Bindung zu sich.
- Beim positiven induktiven Effekt schiebt ein Atom Elektronen der kovalenten Bindung von sich weg.
- Die Acidität von Carbonsäuren hängt vom negativen induktiven Effekt der Carboxylgruppe, sowie deren mesomeren Effekt ab.
- Die Struktur einer Carbonsäure beeinflusst die Säurestärke.
- Diese hängt vom Rest der Carbonsäure und der Entfernung von einflussreichen Gruppen zur Carboxylgruppe und die Entfernung mehrerer Carboxylgruppen zueinander.
Nachweise
- Chemie.de: Carbonsäuren. (27.06.2022)
- Helmich (2017). Der pH-Wert von Zitronensäure. www.u-helmich.de. (27.06.2022)
- Uni Saarland. pKS-Werte von Carbonsäuren. www.uni-saarland.de. (27.06.2022)
Erklärungen 
Magazine 
