Puffersysteme: Unterschied zwischen den Versionen
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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. | 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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| − | '''[[Essigsäure]]/[[Acetat]]-Puffer'''. Enthält eine Lösung gleiche [[Stoffmenge]]n an [[Essigsäure]] und [[Natriumacetat]], so erhält man eine Pufferlösung mit dem [[pH-Wert]] 4, | + | '''[[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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| + | 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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| − | + | Gegeben: p''K''<sub>S</sub>(Essigsäure) = 4,75; ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[Natriumacetat]]) = 0,1 mol/L; ; ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[Essigsäure]]) = 0,1 mol/L | |
| − | + | Gesucht: pH-Wert der Pufferlösung | |
| − | + | Durch Einsetzen in die Puffergleichung ergibt sich: pH = 4,75 + [[Logarithmus|log<sub>10</sub>]](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:<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) = ''[[Stoffmengenkonzentration|c]]''([[HCl]]) '''·''' ''V''([[Salzsäure]])<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) = 1 mol/L{{*}}0,01 L<br />''[[Stoffmenge|n]]''([[HCl]]) = 0,01 mol | |
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| − | + | Mit ''[[Volumen|V]]'' = 1 L ergeben sich damit als neue Stoffmengenkonzentrationen: | |
| − | + | * ''c''(Essigsäure)= (0,1 + 0,01)mol/L = 0,11 mol/L | |
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| + | Ergebnisse in die Puffergleichung einsetzen und neuen pH-Wert berechen: | ||
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| + | pH = 4,75 + log<sub>10</sub> ------------- = 4,66 | ||
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| − | + | 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<sup>-1</sup> hinzu, steigt der [[pH-Wert]] entsprechend an, also auf pH 4,84. | |
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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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| − | + | == Experimente == | |
| − | + | * [[Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen]] | |
| − | + | {{Ex-ec|213|1|Puffersysteme: Essigsäure-Acetat-Puffer}} | |
| − | + | {{Ex-ch09|{{fb|162}}|1|Puffersysteme|Herstellung und Prüfung einer Pufferlösung}} | |
| − | + | {{Ex-ch09|{{fb|162}}|2|Puffersysteme|Pufferwirkung von Wasser}} | |
| − | + | {{Ex-ch|417|*|Standardpuffer zur Eichung von [[pH-Meter|pH-Metern]]: Herstellen der Lösung gemäß Tabelle}} | |
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{{www}} | {{www}} | ||
| + | * 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] | ||
* Puffertablette siehe [[Eriochromschwarz T]] | * Puffertablette siehe [[Eriochromschwarz T]] | ||
| + | * gebrauchsfertige [[Pufferlösung]]en Fa. Roth | ||
[[Kategorie:Chemie]] | [[Kategorie:Chemie]] | ||
Aktuelle Version vom 10. Januar 2017, 14:16 Uhr
| Puffersysteme | ||
|---|---|---|
| vernetzte Artikel | ||
| Säure-Base-Reaktionen | pH-Skala | |
Inhaltsverzeichnis
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
- Standardpuffer zur Eichung von pH-Metern, in: Chemie heute, S. 417
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:
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(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 ... | ||
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Chemie FOS-T
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Chemie heute
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Elemente Chemie
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Experimente
- Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen
- Puffersysteme: Essigsäure-Acetat-Puffer, in: Elemente Chemie 2, Seite 213, Versuch 1
- Puffersysteme: Herstellung und Prüfung einer Pufferlösung, in: Chemie heute SII, Seite 162, Versuch 1
- Puffersysteme: Pufferwirkung von Wasser, in: Chemie heute SII, Seite 162, Versuch 2
- Standardpuffer zur Eichung von pH-Metern: Herstellen der Lösung gemäß Tabelle, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 417, Versuch *
Weblinks
- Puffersysteme als Google-Suchbegriff
- Puffersysteme in der Wikipedia
- Puffersysteme hier in bs-wiki.de mit Google
- Puffersysteme als Youtube-Video
- Alwin Kratochwill: Übungsaufgaben mit Lösungen sowie ein pH-Rechner für Pufferlösungen
- Puffertablette siehe Eriochromschwarz T
- gebrauchsfertige Pufferlösungen Fa. Roth
