Puffersysteme: Unterschied zwischen den Versionen

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Eine Pufferlösung kann trotz der Zugabe von Säuren oder Basen den pH-Wert weitgehend konstant halten.Sie bestehen aus einer schwachen Säure und dem dazugehörigen Salz. Die Pufferlösungen können bei einem Säurezusatz und bei einem Basezusatz wirken.
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{{navi|Säure-Base-Reaktionen|pH-Skala}}
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Gibt man einer solchen Pufferlösung eine starke Säure hinzu, so reagiert diese mit den hauptsächlich aus dem Salz vorhandenen CH<sub>3</sub>COO- Ionen zu CH<sub>3</sub>COOH. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich und verschiebt sich erst, wenn das Salz komplett verbraucht ist.
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== Allgemeines ==
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Gibt man eine starke Base hinzu, dann ziehen die OH- Ionen aus CH<sub>3</sub>COOH ein Proton heraus oder finden es schon in der Lösung vor und reagieren mit diesem zu Wasser. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich, bis alle CH<sub>3</sub>COOH- Moleküle verbraucht sind.
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Eine [[Pufferlösung]] kann trotz der Zugabe von [[Säuren]] oder [[Basen]] den [[pH-Wert]] weitgehend konstant halten. Sie besteht aus einer [[S%C3%A4urest%C3%A4rke|schwachen Säure]] und dem dazugehörigen [[Salz]]. Beispiel: Der '''Essigsäure-Acetat-Puffer''' ist ein Puffersystem bestehend aus [[Essigsäure]] und [[Natriumacetat]].
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Wie viel Säure oder Base ohne Änderung des pH-Werts aufgenommen werden kann, hängt von der Menge der gelösten Puffersubstanzen ab. Dieses Verhalten nennt man die Pufferkapazität der gelösten Pufferlösung. Je nach Konzentration der Pufferlösung steigt die Pufferkapazität.
 
  
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==Phosphatpuffer==
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Gibt man einer solchen Pufferlösung Säure, also H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>-Ionen hinzu, so reagieren diese zunächst mit den im Salz vorhandenen [[Acetat|H<sub>3</sub>C-COO<sup>-</sup>]]-Ionen zur [[Essigsäure|H<sub>3</sub>C-COOH]]. Der [[pH-Wert]] bleibt nahezu gleich und verschiebt sich erst, wenn das Salz komplett umgesetzt wurde.
  
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Möchte man einen neutralen pH-Wert erhalten, so muss man den Phosphatpuffer benutzen. Dieser erhält eine gleiche Konzentration an Dihydrogenphosphat-Ionen und Hydrogenphosphat-Ionen.  
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Gibt man eine starke Base hinzu, dann ziehen die OH<sup>-</sup>-Ionen aus H<sub>3</sub>C[[Carboxylgruppe|-COOH]] ein [[Proton]] heraus oder finden es schon in der Lösung vor und reagieren mit diesem zu Wasser. Der [[pH-Wert]] bleibt nahezu gleich, bis alle CH<sub>3</sub>[[Carboxylgruppe|-COOH]]-Moleküle verbraucht sind.
  
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==Blutpuffer==
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Wie viel Säure oder Base ohne Änderung des [[pH-Wert]]s aufgenommen werden kann, hängt von der Menge der gelösten Puffersubstanzen ab. Dieses Verhalten nennt man die Pufferkapazität der gelösten Pufferlösung. Mit zunehmender [[Konzentration]] der Pufferlösung steigt also die Pufferkapazität.
  
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Unsere Körperflüssigkeiten, wie unser Blut ist gepuffert. Der pH-Wert in unserem Blut muss bei 7,4+- 0,5 liegen, damit unsere gesundheit gewährleistet ist. Denn ohne die Pufferung könnte der Verzehr einer Essiggurke zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Das Kohlensäure/Hydrogencarbonat-Gleichgewicht ist am Blutpuffer beteiligt.
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== Die wichtigsten Puffersysteme bzw. Pufferlösungen ==
  
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'''Essigsäure/Acetat- Puffer'''. Enthält eine Lösung gleiche Stoffmengen an Essigsäure und Natriumacetat, so erhält man eine Pufferlösung mit dem pH- Wert 4,65:
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===Phosphatpuffer===
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K<sub>s</sub>=c(H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>)&middot; c(Ac<sup>-</sup>)
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Möchte man einen neutralen [[pH-Wert]] erhalten, so muss man den Phosphatpuffer benutzen. Dieser erhält eine gleiche Konzentration an [[Kaliumdihydrogenphosphat|Dihydrogenphosphat-Ionen]] H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>-</sup> und [[Dinatriumhydrogenphosphat|Hydrogenphosphat-Ionen]] HPO<sub>4</sub><sup>2-</sup>.
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        c(H<sub>3</sub>O<sup>+></sup>).c(Ac<sup>-</sup>)
 
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K<sub>s</sub>   =  --------------------- = 10<sup>-4,65</sup> mol . l<sup>-1</sup>
 
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        c<sub>O</sub>(HA<sub>c</sub>
 
  
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Mathematische Umformung
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===Blutpuffer===
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          c(H<sub>3</sub>O<sup>+></sup>).c(Ac<sup>-</sup>)
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Auch unser Blut ist pH-gepuffert, d. h. der Blut-[[pH-Wert]] muss bei 7,4&nbsp;&plusmn;&nbsp;0,05 liegen, damit unsere Gesundheit gewährleistet ist. Denn ohne die Pufferung könnte schon der Verzehr einer Essiggurke zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Das [[Kohlensäure]]/Hydrogencarbonat-Gleichgewicht ist am Blutpuffer beteiligt.
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K<sub>s</sub>  =  ---------------------    .   c(HA<sub>c</sub>)  :  c(Ac<sup>-</sup>)
 
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          c<sub>O</sub>(HA<sub>c</sub>           
 
  
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Mathematische Umformung
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=== Essigsäure-Acetat-Puffer ===
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                          c(HAc)
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'''[[Essigsäure]]/[[Acetat]]-Puffer'''. Enthält eine Lösung gleiche [[Stoffmenge]]n an [[Essigsäure]] und [[Natriumacetat]], so erhält man eine Pufferlösung mit dem [[pH-Wert]] 4,75. Dieser Wert entspricht der [[Säurestärke]] und kann rechnerisch über die [[Puffersysteme#Puffergleichung_nach_Henderson-Hasselbalch|Puffergleichung (s. u.)]] vorhergesagt werden.
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c(H<sub>3</sub>O<sup>+></sup>) = K<sub>s</sub> . - lg   
 
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                          c(Ac<sup>-</sup>)
 
  
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                                                  ph= -lg c(H<sub>3</sub>O<sup>+></sup>)
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=== Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen ===
−
                                                                c(Ac<sup>-</sup>)
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* [[Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen|Beschreibung]]
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                                                  ph= pK<sub>s</sub> +lg  ----------
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* [[pH-Wert einer Salzlösung]]
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                                                                c(HAc)
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=== Standardpuffer ===
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* Standardpuffer zur Eichung von [[pH-Meter|pH-Metern]], in: [[Chemie heute]], S. 417
  
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'''pH= negativer dekadischer Logarithmus der Konzentration von H<sub>3</sub>O<sup>+></sup>- Ionen'''
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== pH-Wert einer Pufferlösung ==
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=== Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch ===
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Der [[pH-Wert]] einer Pufferlösung aus einer Säure und deren Salz hängt von der [[Säurestärke]] p''K''<sub>S</sub>(Säure) und dem Verhältnis der [[Stoffmengenkonzentration]]en von Säure und deren Salz ab und kann mit der Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch errechnet werden:
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{|
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|-
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{{Bruch|ist==|Rand=0|ZL=|BL=pH|NL=|ZR=&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''(Salz)|BR=p''K''<sub>S</sub>(Säure) + [[Logarithmus|log<sub>10</sub>]] <b>&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;</b>|NR=&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''(Säure)}}
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|  || (Henderson-Hasselbalch-Gleichung)
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|}
  
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'''Beispiel [[Puffersysteme#Essigs.C3.A4ure-Acetat-Puffer|Essigsäure-Acetat-Puffer]]'''
  
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==Aufgabe1:==
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Gegeben: p''K''<sub>S</sub>(Essigsäure) = 4,75; ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[Natriumacetat]]) = 0,1 mol/L; ; ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[Essigsäure]]) = 0,1 mol/L
  
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Zu 990 ml Pufferlösung, die je 0,1 mol Essigsäure und Natriumacetat enthalten, werden 10 ml Salzlösung mit der Konzentration c(HCL)= 1mol&middot;l<sup>-1</sup>) gegeben. Die zugefügte Stoffmenge an Hydronium- Ionen beträgt:
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Gesucht: pH-Wert der Pufferlösung
  
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n(HCL) = c(HCl) &middot; V(Salzsäure) = 0,01 mol
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Durch Einsetzen in die Puffergleichung ergibt sich: pH = 4,75 + [[Logarithmus|log<sub>10</sub>]](1) = 4,75
  
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=== Acetatpuffer bei Säurezugabe ===
  
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c(HAc)= Essigsäure                          c(Ac<sup>-</sup>)= Acetat
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Zu 990 mL Pufferlösung, die je 0,1 mol [[Essigsäure]] und [[Natriumacetat]] enthält, wird 10 mL Salzsäure mit der Konzentration ''c''([[HCl]]) = 1 mol/L hinzugegeben. Wie ändert sich der pH-Wert?
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        Essigsäure                                            Acetat
 
−
      = Base, der Akzeptor                                  = Säure, der Donator
 
−
      = 0,1 mol                                             = 0,1 mol
 
−
                                                            = reagiert mit Salzsäure
 
−
      = Acetat- Ionen verringern      <--------            = es entsteht Essigsäure mit
 
−
        sich                                                  mehr Molekülen
 
  
 +
Es gilt die Regel: Die starke Säure (hier: Salzsäure) verdrängt die schwächere (hier: Essigsäure) aus ihrem Salz. Folge: Die Essigsäurekonzentration steigt, die Acetatkonzentration sinkt. Um die neuen Konzentrationen und damit den neuen pH-Wert der Lösung zu berechnen, müssen die neuen Stoffmengen zum neuen Volumen (1.000 mL, also 1 L) ins Verhältnis gesetzt werden:
 +
* zunächst die zugefügte Stoffmenge der Säureteilchen berechnen, sie beträgt:<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) = ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[HCl]]) '''&middot;''' ''V''([[Salzsäure]])<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) =  1 mol/L{{*}}0,01 L<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) = 0,01 mol
 +
* ''n''(Essigsäure) = 0,1mol + 0,01 mol = 0,11 mol                               
 +
* ''n''(Acetat) = 0,1mol - 0,01 mol = 0,09 mol 
 +
Mit ''[[Volumen|V]]'' = 1 L ergeben sich damit als neue Stoffmengenkonzentrationen:
 +
* ''c''(Essigsäure)= (0,1 + 0,01)mol/L = 0,11 mol/L
 +
* ''c''(Acetat)= (0,1-0,01) mol/L = 0,09 mol/L
  
−
c(HAc)= Essigsäure                                        c(Ac<sup>-</sup>)= Acetat
+
Ergebnisse in die Puffergleichung einsetzen und neuen pH-Wert berechen:
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  Essigsäure                                  Acetat
+
                  0,09 mol{{*}}L       
−
  0,1mol                                      0,1mol
+
pH = 4,75 + log<sub>10</sub> ------------- = 4,66
 +
                  0,11 mol{{*}}L
  
−
+ HCL c= 1 mol/l(Stoffmenge)
+
=== Acetatpuffer bei Zugabe einer Base ===
 +
Fügt man der ursprünglichen Pufferlösung [[Natronlauge]] hinzu, reagiert diese mit der [[Essigsäure]]. Die  Konzentration der Essigsäuremoleküle sinkt und die Konzentration der Acetat-Ionen nimmt zu. Gibt man 10 mL [[Natronlauge]] der Konzentration ''c''([[NaOH]]) = 1 mol '''&middot;''' L<sup>-1</sup> hinzu, steigt der [[pH-Wert]] entsprechend an, also auf pH 4,84.
  
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==Allgemeine Formel:==
+
=== pH-Wert-Sprung ohne Puffer ===
−
'''c= u/v''' ---->      1 mol/l &middot; 0,01 l = 0,01 mol
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Zum Vergleich: In einem Liter ungepufferter Lösung, also nur Essigsäure ohne das Salz, ergäbe die gleiche Menge [[Salzsäure]] den Abfall auf pH 2 und der Laugenzusatz den Sprung auf pH 12.
  
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Acetat + H<sup>+</sup>  ---------> '''Essigsäure'''
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{{cb|-|125, 417|212}}
  
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== Experimente ==
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==Beispiel: Zum besseren Verständnis==
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* [[Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen]]
−
 
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{{Ex-ec|213|1|Puffersysteme: Essigsäure-Acetat-Puffer}}
−
 
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{{Ex-ch09|{{fb|162}}|1|Puffersysteme|Herstellung und Prüfung einer Pufferlösung}}
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  0-                    0                                        Ö
+
{{Ex-ch09|{{fb|162}}|2|Puffersysteme|Pufferwirkung von Wasser}}
−
  0-                    0 <-----Salzsäure                        Ö
+
{{Ex-ch|417|*|Standardpuffer zur Eichung von [[pH-Meter|pH-Metern]]: Herstellen der Lösung gemäß Tabelle}}
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  0-  <----Essigsäure                                             Ö <------Acetat
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{{www}}
−
  0-       Moleküle                                              Ö
+
* Alwin Kratochwill: [http://kratochwill.lima-city.de/Uepc/UebPC5.pdf Übungsaufgaben mit Lösungen] sowie ein [http://kratochwill.lima-city.de/pufferScr.htm pH-Rechner für Pufferlösungen]
−
  0-                                                             Ö
+
* Puffertablette siehe [[Eriochromschwarz T]]
−
  =                      =                                        =
+
* gebrauchsfertige [[Pufferlösung]]en Fa. Roth
−
  0,1 mol                0,01 mol                                0,1 mol
+
[[Kategorie:Chemie]]
−
 
 
−
0,1+0,01= '''0,11'''                                            0,1-0,01= '''0,09'''
 
−
                        Das Acetat nimmt ein H+ Ion
 
−
                        von der Salzsäure auf und reagiert
 
−
                        wieder zu Essigsäure.
 
−
0-                     -dadurch werden die Essigsäure          Ö
 
−
0-            <------  Moleküle mehr                          Ö
 
−
0-                      -und Acetat-Ionen    ------>            Ö
 
−
0-                      weniger
 
−
0-
 
−
0-
 
−
0-
 
−
 
 
−
 
 
−
Daraus ging folgendes hervor:<sup>-1</sup>
 
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c(HAc)= (0,1 + 0,01)mol . l<sup>-1</sup>= '''0,11 mol . l'''
 
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c(Ac<sup>-</sup>)= (0,1-0,01)mol  . l<sup>-1</sup>= '''0,09 mol . l<sup>-1</sup>'''
 
−
 
 
−
Ergebnisse in die vorgegebene pH- Formel eingeben, d.H.
 
−
              '''0,09 mol . l<sup>-1</sup>'''       
 
−
pH= 4,65 + lg------------------  = 4,56          ''Beachtet die Umkehrung''
 
−
              '''0,11 mol . l<sup>-1</sup>'''
 
−
 
 
−
==Aufgabe2==
 
−
Fügt man 10 ml Natronlauge der Konzentration c(NaOH)= 1mol . l<sup>-1</sup> hinzu, steigt der pH- Wert entsprechend auf 4,74. In einem Liter ungepufferter Lösung ergibt dieselbe Menge Salzsäure den pH- Wert 2 und der Laugenzusatz den pH- Wert 12.
 
−
 
 
−
Das bedeutet, dass man der Konzentration Natronlauge hinzufügt und diese mit der Essigsäure reagiert. Somit werden die Essigsäuremoleküle weniger und die Acetat- Ionen mehr.
 
−
 
 
−
c(HAc) + NaOH---------->c(Ac<sup>-</sup>) + H<sub>2</sub>O
 
−
 
 
−
 
 
−
'''Beispiel'''
 
−
0-                          Ö- <-----NaOH          Ö
 
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0-  <----Essigsäure                                  Ö <-----Acetat
 
−
0-                                                  Ö
 
−
'''Es entsteht:'''
 
−
0-                          -Ö-                      Ö Ö
 
−
0-                                                  Ö Ö
 
−
 
 
−
[http://www.biorama.ch/biblio/b50chem/k06saba/saba130.htm Puffersysteme]
 
−
[http://www.mta-labor.info/fachbereiche/klch/puffersysteme.php weiteres zu Puffersysteme]
 
−
[http://de.wikipedia.org/wiki/Essigs%C3%A4ure Essigsäure]
 
−
[http://de.wikipedia.org/wiki/Acetat Acetate]
 

Aktuelle Version vom 10. Januar 2017, 14:16 Uhr

Puffersysteme
vernetzte Artikel
Säure-Base-Reaktionen pH-Skala

Allgemeines

Eine Pufferlösung kann trotz der Zugabe von Säuren oder Basen den pH-Wert weitgehend konstant halten. Sie besteht aus einer schwachen Säure und dem dazugehörigen Salz. Beispiel: Der Essigsäure-Acetat-Puffer ist ein Puffersystem bestehend aus Essigsäure und Natriumacetat.

Gibt man einer solchen Pufferlösung Säure, also H3O+-Ionen hinzu, so reagieren diese zunächst mit den im Salz vorhandenen H3C-COO--Ionen zur H3C-COOH. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich und verschiebt sich erst, wenn das Salz komplett umgesetzt wurde.

Gibt man eine starke Base hinzu, dann ziehen die OH--Ionen aus H3C-COOH ein Proton heraus oder finden es schon in der Lösung vor und reagieren mit diesem zu Wasser. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich, bis alle CH3-COOH-Moleküle verbraucht sind.

Wie viel Säure oder Base ohne Änderung des pH-Werts aufgenommen werden kann, hängt von der Menge der gelösten Puffersubstanzen ab. Dieses Verhalten nennt man die Pufferkapazität der gelösten Pufferlösung. Mit zunehmender Konzentration der Pufferlösung steigt also die Pufferkapazität.

Die wichtigsten Puffersysteme bzw. Pufferlösungen

Phosphatpuffer

Möchte man einen neutralen pH-Wert erhalten, so muss man den Phosphatpuffer benutzen. Dieser erhält eine gleiche Konzentration an Dihydrogenphosphat-Ionen H2PO4- und Hydrogenphosphat-Ionen HPO42-.

Blutpuffer

Auch unser Blut ist pH-gepuffert, d. h. der Blut-pH-Wert muss bei 7,4 ± 0,05 liegen, damit unsere Gesundheit gewährleistet ist. Denn ohne die Pufferung könnte schon der Verzehr einer Essiggurke zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Das Kohlensäure/Hydrogencarbonat-Gleichgewicht ist am Blutpuffer beteiligt.

Essigsäure-Acetat-Puffer

Essigsäure/Acetat-Puffer. Enthält eine Lösung gleiche Stoffmengen an Essigsäure und Natriumacetat, so erhält man eine Pufferlösung mit dem pH-Wert 4,75. Dieser Wert entspricht der Säurestärke und kann rechnerisch über die Puffergleichung (s. u.) vorhergesagt werden.

Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen

Standardpuffer

pH-Wert einer Pufferlösung

Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch

Der pH-Wert einer Pufferlösung aus einer Säure und deren Salz hängt von der Säurestärke pKS(Säure) und dem Verhältnis der Stoffmengenkonzentrationen von Säure und deren Salz ab und kann mit der Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch errechnet werden:

                              c(Salz)  
  pH  =  pKS(Säure) + log10 ──────  
                             c(Säure)  
(Henderson-Hasselbalch-Gleichung)

Beispiel Essigsäure-Acetat-Puffer

Gegeben: pKS(Essigsäure) = 4,75; c(Natriumacetat) = 0,1 mol/L; ; c(Essigsäure) = 0,1 mol/L

Gesucht: pH-Wert der Pufferlösung

Durch Einsetzen in die Puffergleichung ergibt sich: pH = 4,75 + log10(1) = 4,75

Acetatpuffer bei Säurezugabe

Zu 990 mL Pufferlösung, die je 0,1 mol Essigsäure und Natriumacetat enthält, wird 10 mL Salzsäure mit der Konzentration c(HCl) = 1 mol/L hinzugegeben. Wie ändert sich der pH-Wert?

Es gilt die Regel: Die starke Säure (hier: Salzsäure) verdrängt die schwächere (hier: Essigsäure) aus ihrem Salz. Folge: Die Essigsäurekonzentration steigt, die Acetatkonzentration sinkt. Um die neuen Konzentrationen und damit den neuen pH-Wert der Lösung zu berechnen, müssen die neuen Stoffmengen zum neuen Volumen (1.000 mL, also 1 L) ins Verhältnis gesetzt werden:

  • zunächst die zugefügte Stoffmenge der Säureteilchen berechnen, sie beträgt:
    n(HCl) = c(HCl) · V(Salzsäure)
    n(HCl) = 1 mol/L · 0,01 L
    n(HCl) = 0,01 mol
  • n(Essigsäure) = 0,1mol + 0,01 mol = 0,11 mol
  • n(Acetat) = 0,1mol - 0,01 mol = 0,09 mol

Mit V = 1 L ergeben sich damit als neue Stoffmengenkonzentrationen:

  • c(Essigsäure)= (0,1 + 0,01)mol/L = 0,11 mol/L
  • c(Acetat)= (0,1-0,01) mol/L = 0,09 mol/L

Ergebnisse in die Puffergleichung einsetzen und neuen pH-Wert berechen: 

                  0,09 mol · L         
pH = 4,75 + log10 ------------- = 4,66
                  0,11 mol · L

Acetatpuffer bei Zugabe einer Base

Fügt man der ursprünglichen Pufferlösung Natronlauge hinzu, reagiert diese mit der Essigsäure. Die Konzentration der Essigsäuremoleküle sinkt und die Konzentration der Acetat-Ionen nimmt zu. Gibt man 10 mL Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol · L-1 hinzu, steigt der pH-Wert entsprechend an, also auf pH 4,84.

pH-Wert-Sprung ohne Puffer

Zum Vergleich: In einem Liter ungepufferter Lösung, also nur Essigsäure ohne das Salz, ergäbe die gleiche Menge Salzsäure den Abfall auf pH 2 und der Laugenzusatz den Sprung auf pH 12.

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen
zum Thema Puffersysteme:
Chemie FOS-T

auf Seite
-

Chemie heute

auf Seite
125, 417

Elemente Chemie

auf Seite
212

Experimente

Weblinks

Abgerufen von „http://bs-wiki.de/mediawiki/index.php?title=Puffersysteme&oldid=73951“