Salzbildung von Carbonsäuren

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Salzbildung von Carbonsäuren". Das Video ist folgendermaßen gegliedert: 1. Salzbildung und Säurerückbildung 2. Säureanionen 3. Seifen 4. Mizelle und Emulsion 5. Thermodynamik des Waschens 6. Zusammenfassung Für das Verständnis des Videos ist es wichtig, dass ihr den Begriff der Carbonsäuren gut kennt. Ihr solltet wissen, was eine Carboxylgruppe ist und ihr solltet das Carboxylat-Ion kennen. Ihr solltet mit den Grundbegriffen der Thermodynamik vertraut sein. Die Formel Delta G=Delta H-T× Delta S sollte euch wohl bekannt sein. Delta G ist die Änderung der Gibbs freien Energie, Delta H ist die Änderung der Enthalpie und Delta S ist die Änderung der Entropie eines chemischen oder physikalischen Prozesses. 1. Salzbildung und Säurerückbildung Eine Carbonsäure reagiert wie jede Säure mit einer Base. Eine Carbonsäure reagiert mit Natriumhydroxid zu dem Salz der Carbonsäure und Wasser. Diese chemische Reaktion wird als Neutralisation bezeichnet. Das entstandene Salz bildet unter dem Einfluss von Wasser ein Säurerestion und ein Natriumion. Diese Reaktion wird als Dissoziation bezeichnet. Das Salz der Carbonsäure reagiert mit Wasserstoffionen zur Carbonsäure und Natriumionen werden frei. Dieser Vorgang ist die Säurerückbildung. Was wird in dieser Übersicht dargestellt? Bei der Neutralisation reagiert die Säure mit der Base zu einem Salz und Wasser wird frei. Bei der Dissoziation des Salzes bilden sich ein Säureion und ein Natriumion. Bei der Säurerückbildung reagiert ein Teilchen des Salzes mit einem Proton zu einem Teilchen Säure und ein Natriumion wird frei. 2. Säureanionen Betrachten wir die allgemeine Formel eines Carbonsäuremoleküls und erinnern wir uns an seine Dissoziation. Bei der Dissoziation reagiert das Carbonsäuremolekül mit einem Molekül Wasser zu einem Hydroniumion und ein Säureanion, ein Carboxylation wird frei. Wir wollen nun einmal überlegen, auf welcher Seite sich das Gleichgewicht befindet, wenn auf unterschiedliche pH-Werte vorliegen. Bei ph-Werten < 5, das heißt, bei einem Überschuss an Hydroniumionen, wird das chemische Gleichgewicht in Richtung der Ausgangsverbindungen verschoben, das heißt, wir haben hier hauptsächlich Carbonsäuremoleküle vorliegen. Anders verhält es sich im physiologisch interessanten Bereich, nämlich im pH-Wertbereich von 6-8. Hier liegen die Carbonsäuren hauptsächlich in Form ihrer Anionen vor. Im physiologisch interessanten Bereich, von ph-Wert 6-8, haben wir hauptsächlich Carboxylationen in der Lösung vorliegen. Daher ist es in der Biochemie sehr wichtig, die Namen der Säureanionen zu lernen. Das Säureanion der Ameisensäure heißt Formiation. Dieser Name wird auch gleichzeitig für die Salze benutzt: Essigsäure - Acetat, Propionsäure - Propionat, Buttersäure - Butyrat, Palmitinsäure - Palmitat und Stearinsäure, Stearat. Es handelt sich hier um Vertreter der einfachsten Carbonsäuren, der Monocarbonsäuren, die Alkansäuren sind. Die Anzahl der Kohlenstoffatome im Kohlenstoffskelett beträgt entsprechend: 1, 2, 3, 4, 16 und 18. Die Anionen zweier anderer Carbonsäuren sind ebenfalls wichtig: Brenztraubensäure - Pyruvat. Brenztraubensäuremoleküle besteht aus 3 Kohlenstoffatomen außerdem enthalten sie eine Ketogruppe. Benzoesäure - Benzoat, die Benzoesäure ist eine aromatische Carbonsäure. Und zum Schluss noch 3 Vertreter: Oxalsäure - Oxalat, Malonsäure - Malonat, Bernsteinsäure - Succinat. Es handelt sich hier um die ersten 3 Vertreter der Dicarbonsäuren. Sie enthalten im Kohlenstoffskelett entsprechend 2, 3 und 4 Kohlenstoffatome. 3. Seifen Bei dieser Säure handelt es sich um eine langkettige Carbonsäure. Es ist die Alkansäure Stearinsäure. Das Natriumsalz dieser Säure heißt Natriumstearat. Natriumstearat und vor allem das wirksame Stearation werden als Seife bezeichnet. Die lange Alkylkette ist lipophil, fett liebend, und hydrophob, Wasser abweisend. Der ionische Rest ist hydrophil und lipophob, Wasser liebend und Fett abweisend. Man schreibt das Carboxylatanion auch als C17H35-COO- oder auch vereinfacht als lange Alkylkette mit einem kleinen ionischen Rest. Ein Molekül, das gleichsam lipophile und hydrophile Eigenschaften in sich vereint, wird als amphipathisch bezeichnet.  4. Mizelle und Emulsion Um die Wirkung von Seife zu studieren, möchte ich hier ein System "Wasserluft" anordnen. Wir werden dann sehen, wie die kleinen Fetttröpfchen im Wasser stabilisiert werden. Die Seifenteilchen richten sich derart aus, dass die langen, unpolaren Enden in die Luft zeigen. Die kurzen, polaren Enden sind in Richtung des Wassers gerichtet. Die Anordnung der Seifenteilchen an der Phasengrenze führt dazu, dass es zu einer Verminderung der Oberflächenspannung an der Wasseroberfläche kommt. Bekanntlich kann sich Fett in Wasser nicht aufhalten, sondern befindet sich nur an der Oberfläche. Mit einem Trick allerdings kann man Fett auch löslich machen, nämlich durch Zugabe einer Seife. Die Seifenteilchen umschließen mit ihren lipophilen Enden das Fettteilchen. Es bildet sich eine Emulsion heraus. Man kann hier sagen, dass es hier zu einer Fettauflösung gekommen ist, denn auch die andere Seite ist richtig orientiert. Die polaren Enden sind in Richtung des polaren Lösungsmittels, Wasser, orientiert. Wenn kein Fett zur Verfügung steht, dann bilden die Seifenteilchen untereinander bestimmte Aggregate aus. Die unpolaren Enden sind gegeneinander gerichtet. Die polaren Enden zeigen in Richtung des Wassers. Ein solches Teilchen wird als Mizelle bezeichnet. Demzufolge können Seifenteilchen die Oberflächenspannung des Wassers vermindern, Mizellen bilden, und Fett emulgieren. 5. Thermodynamik des Waschens Wir haben bereits im Teil 4 gesehen, wie sich Seifenteilchen um ein Fettteilchen anordnen. Das ist bereits die Nachher-Situation. Ein Zustand, der zu Ende des Waschvorgangs erreicht wird. Vorher ist es so, dass wir Mizellen haben und gleichzeitig Fettteilchen. Die Seifenteilchen können sich an der Oberfläche des Fettes besser anordnen als untereinander. Das bedeutet, dass der thermodynamische Zustand vorher ungünstiger war und später günstig. Das bedeutet aber, dass ?H einen negativen Wert bekommt. Die Enthalpie fällt. Seifenteilchen sind in der Regel nicht nur in Mizellen, sondern auch in sehr großen Aggregaten angeordnet, das heißt, sie bilden dort echt große Komplexe. Daher ist die Ordnung in diesen Komplexen groß. Sie wird kleiner, wenn die Mizelle die Fettkügelchen umschließen. Das bedeutet aber, dass die Entropie des Systems wächst. Im Ergebnis wird die Gibbs freie Energie < 0 und der Prozess verläuft spontan. 6. Zusammenfassung Carbonsäuren reagieren mit Basen unter der Bildung von Salzen und Wasser. Die Salze dissoziieren in Wasser in Carboxylationen und Natriumionen. Die Carboxylationen reagieren mit einem Überschuss an Wasserstoffionen, zum Beispiel durch Zugabe einer Mineralsäure wieder zurück zu den Carbonsäuren. Langkettige Carboxylationen bilden Seife. Die Wirkung der Seife im Luft-Wassersystem äußert sich in 3 Dingen. Als Erstes kommt es zu einer Ausrichtung an der Phasengrenzschicht und zu einer Verminderung der Oberflächenspannung an der Wasseroberfläche. Als Zweites bilden die Seifenteilchen untereinander sogenannte Mizellen aus. Die Mizellen reagieren mit Fettteilchen unter Entstehung einer Emulsion. Der Prozess der Emulsionsbildung ist thermodynamisch günstig, das heißt, er läuft spontan ab. Wir haben erklärt, warum die Enthalpie während dieses Prozesses abnimmt und die Entropie steigt. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen!