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Pufferlösungen

OberschuleChemieExakter pH-Wert einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base aus der Ladungsbilanz, im Vergleich zu reinem Wasser

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Über dieses Experiment

Blut, Meerwasser und viele Medikamente müssen ihren pH-Wert nahezu konstant halten, selbst wenn Säuren oder Basen hinzugefügt werden. Das gelingt ihnen mit Puffern: Mischungen aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base. Gibt man etwas starke Säure hinzu, fängt die Base sie ab; gibt man etwas starke Base hinzu, neutralisiert die schwache Säure sie. Gib Säure und Base tropfenweise nebeneinander in einen Puffer und in reines Wasser, beobachte die Farben der Indikatoren und finde heraus, wann ein Puffer gut wirkt und wann er aufgebraucht ist.

Lernziele

  • Definiere einen Puffer als eine Lösung, die pH-Änderungen widersteht, wenn kleine Mengen Säure oder Base hinzugegeben werden.
  • Erkläre, wie eine schwache Säure und ihre konjugierte Base hinzugefügte H⁺- und OH⁻-Ionen entfernen.
  • Berechne den pH-Wert eines Puffers mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
  • Erkläre, wie die Konzentration und das Verhältnis von Base zu Säure die Pufferkapazität beeinflussen.
  • Wähle mithilfe des pKa-Werts ein Puffersystem für einen gewünschten pH-Wert aus.

Anleitung

  1. 1Gib fünfmal 1 mL Säure hinzu. Vergleiche die pH-Änderungen im Puffer und im Wasser.
  2. 2Drücke erneut auf „Start“ und gib 10 mL Base hinzu. Wie stark verändert sich der pH-Wert jeweils?
  3. 3Gib so lange Säure hinzu, bis der pH-Wert des Puffers schnell sinkt. Wie viel Säure wurde hinzugefügt? Vergleiche die Menge mit den Stoffmengen an Base im Puffer.
  4. 4Beginne erneut mit einer Pufferkonzentration von 0,02 mol/L und anschließend mit 0,4 mol/L. Welcher Puffer widersteht Veränderungen besser?
  5. 5Ändere das Verhältnis von Base zu Säure auf 1 : 4 und 4 : 1. Überprüfe den Ausgangs-pH-Wert mit pH = pKa + log([Base]/[Säure]).
  6. 6Welches Puffersystem würdest du verwenden, um eine Lösung wie Blut bei einem pH-Wert von etwa 7,4 zu halten?

Das Modell

Eine schwache Säure und ihre konjugierte Base im Gleichgewicht
Wie der Puffer hinzugefügte Säure und Base abfängt
Henderson-Hasselbalch-Gleichung
Ladungsbilanz zur Berechnung des exakten pH-Werts (für den Ethanoatpuffer)

Annahmen

  • Jeder Becher enthält zu Beginn 100 mL bei 25 °C. Zugegeben werden 0,1 mol/L HCl als Säure und 0,1 mol/L NaOH als Base; das Volumen nimmt mit jeder Zugabe zu.
  • Es werden Konzentrationen statt Aktivitäten verwendet, und für jedes Puffersystem wird nur eine Dissoziationsstufe der Säure berücksichtigt (pKa 4,76, 7,21 und 9,25).
  • Der pH-Wert wird durch exakte Lösung der Ladungsbilanz berechnet und bleibt daher auch dann korrekt, wenn der Puffer erschöpft ist. Zum Vergleich wird der Wert nach Henderson-Hasselbalch angezeigt.
  • Das Wasser hat anfangs einen pH-Wert von 7,00: Gelöstes Kohlendioxid aus der Luft wird ignoriert.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Warum verändert die Zugabe von 1 mL 0,1 M HCl den pH-Wert von Wasser um etwa 4 Einheiten, den eines Puffers aber nur um etwa 0,01?
  2. Q2Ein Puffer enthält 0,05 mol/L Ethansäure und 0,05 mol/L Natriumethanoat. Welchen pH-Wert hat er?
  3. Q3Warum ist ein Puffer am wirksamsten, wenn die Konzentrationen von Säure und Base gleich sind?
  4. Q4Erklären Sie, warum das Verdünnen eines Puffers mit Wasser seinen pH-Wert kaum verändert, aber seine Pufferkapazität verringert.
  5. Q5Das Paar aus Kohlensäure und Hydrogencarbonat hält den Blut-pH-Wert nahe bei 7,4. Was würde bei anstrengendem Training ohne dieses Puffersystem mit dem Blut-pH-Wert passieren?

Häufig gestellte Fragen

Ist ein Puffer dasselbe wie eine neutrale Lösung?

Nein. Ein Puffer kann jeden pH-Wert nahe am pKa seiner schwachen Säure halten. Ein Ethanoatpuffer bleibt bei etwa pH 4,8 und ein Ammoniakpuffer bei etwa pH 9,3. Ein Puffer zeichnet sich dadurch aus, dass sich der pH-Wert nur sehr wenig ändert, nicht durch den pH-Wert selbst.

Was ist die Pufferkapazität?

Sie gibt an, wie viel starke Säure oder Base der Puffer aufnehmen kann, bevor sich sein pH-Wert merklich ändert. Sie ist am größten, wenn Säure und Base in gleicher Konzentration vorliegen, und steigt mit der Gesamtkonzentration.

Warum gilt die Henderson-Hasselbalch-Näherung nicht mehr, wenn der Puffer aufgebraucht ist?

Die Gleichung setzt voraus, dass sowohl die Säure als auch die Base vorhanden sind. Sobald eine der beiden Komponenten vollständig reagiert hat, lässt sich der Logarithmus nicht mehr berechnen, und der pH-Wert wird stattdessen durch die überschüssige starke Säure oder Base bestimmt.