Die Säurekonstanten von schwachen Säuren weisen Temperaturminima auf

Wissenschaftliche Erklärung

Wenn eine schwache Säure in Wasser gelöst wird, dissoziiert sie teilweise und gibt Protonen ab. Die Stärke dieser Dissoziation wird durch die Säurekonstante Ka (bzw. den pKa-Wert) beschrieben. Bei den meisten Lösungsmitteln würde man erwarten, dass der pKa-Wert mit steigender Temperatur monoton sinkt, weil höhere Temperaturen die Dissoziation foerdern. In Wasser zeigen schwache Säuren stattdessen ein Minimum im pKa: Die Dissoziation nimmt zunächst zu (pKa sinkt), erreicht bei einer bestimmten Temperatur ihren Höchstwert und nimmt dann wieder ab (pKa steigt).

Dieses Verhalten entsteht durch das Zusammenspiel zweier Effekte. Einerseits foerdert höhere Temperatur die Dissoziation durch die Erhöhung der kinetischen Energie. Andererseits sinkt die Dielektrizitätskonstante von Wasser mit steigender Temperatur, was die Stabilität der geladenen Ionen (H3O+ und der konjugierten Base) verringert — denn ein Medium mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante kann geladene Teilchen schlechter stabilisieren.

Bei niedrigen Temperaturen überwiegt der erste Effekt, und die Dissoziation nimmt zu. Oberhalb der Minimumtemperatur dominiert der Dielektrizitätseffekt, und die Dissoziation nimmt wieder ab. Jede Säure hat dabei ihre eigene Minimumtemperatur, die von ihrer spezifischen Chemie abhängt — typisch sind Werte zwischen 20 und 60 Grad Celsius.

Alltagsrelevanz

Diese Temperaturminima haben praktische Bedeutung in der Chemie und Biologie. Der pH-Wert von Pufferlösungen, die in Labors und in biologischen Systemen eingesetzt werden, ändert sich mit der Temperatur auf nichtlineare Weise. Wer eine Pufferlösung bei Raumtemperatur einstellt und dann bei Körpertemperatur oder bei erhöhter Temperatur verwendet, muss mit einer unerwarteten pH-Verschiebung rechnen. In der Lebensmittelchemie beeinflusst das Temperaturverhalten der Säurekonstanten den Geschmack und die Konservierungseigenschaften saurer Produkte.