EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-6: Übertragung – Umgang mit Materie 119 119 Anwendung von Pufferlösungen Abb. 119–1: Wirkungsweise eines geschlossenen und eines offenen Puffersystems 1 Liter Wasser 1 Liter Pufferlösung (H 2 PO 4 – /HPO 4 2– jeweils mit c 0 = 1 mol/L) pH = 7 pH-Wert der Lösung pH = 7,21 Zugabe von 1 mL HCl mit c 0 = 10 mol/L ⇒ n (HCl) = 0,01 mol HPO 4 2– + HCl → H 2 PO 4 – + Cl – 1 – 0,01 1 + 0,01 Die Pufferbase reagiert vollstän- dig mit der starken Säure; es verschiebt sich nur das Ver- hältnis Puffersäure zu Pufferbase NaOH → Na + + OH – Man erhält Natronlauge mit c 0 = 0,1 mol/L Zugabe von 4 g NaOH ⇒ n (NaOH) = 0,1 mol H 2 PO 4 – + OH – → HPO 4 2– + H 2 O Die Puffersäure reagiert vollstän- dig mit der starken Base; es verschiebt sich nur das Ver- hältnis Puffersäure zu Pufferbase pH = 2 pH-Wert der Lösung pH = 7,21 – lg[(1 + 0,01)/(1 – 0,01)] pH = 7,20 b) a) pH = 14 + lg c 0 pH = 13 pH-Wert der Lösung pH = 7,21 – lg[(1 – 0,1)/(1 + 0,1)] = 7,3 H 2 O + HCl → H 3 O + + Cl – Man erhält Salzsäure mit c 0 = 0,01 mol/L Üb Übung 119.1 1 L einer Pufferlösung enthält Ammonium- Ionen mit c = 0,2 mol/L und Ammoniak mit c = 0,1 mol/L. a) Berechne den pH-Wert dieser Pufferlö- sung. b) Berechne den pH-Wert dieser Pufferlö- sung nach der Zugabe von 2 mL Salpe- tersäure c = 5 mol/L. c) Berechne den pH-Wert dieser Pufferlö- sungen nach der Zugabe von 1 g KOH. pH-Wertveränderung – Vergleich Wasser/Pufferlösung Schon eingangs wurde festgestellt, dass Pufferlösungen den pH-Wert konstant halten. Beeindruckend ist die Wirkungsweise anhand eines konkreten Beispiels. Es werden die pH-Werte vor und nach der Zugabe einer starken Säure bzw. ei- ner starken Base zu Wasser und einer Pufferlösung verglichen. Als Pufferlösung wurde Dihydrogenphosphat/Hydrogenphosphat gewählt, da hier der pH-Wert bei einem 1:1 Puffer bei 7,21 liegt und damit vergleichbar mit dem pH-Wert von Was- ser ist. Anwendungen von Pufferlösungen Pufferlösungen verwendet man zum Eichen der Glaselektrode der pH-Meter und bei vielen industriellen Prozessen, bei denen die Stabilisierung des pH-Wertes wichtig ist. Die gute Pufferung vieler Böden durch CaCO 3 und Ca(HCO 3 ) 2 verhindert in vielen Fällen eine Versauerung des Bodens durch saure Ausscheidungen von Mikroorga- nismen und den „sauren Regen“. Von großer Bedeutung sind Puffersysteme für den lebenden Organismus. Der pH-Wert des Blutes wird durch die Pufferwirkung von H 2 PO 4 – /HPO 4 2– und von H 2 CO 3 /HCO 3 – nahezu auf einem pH-Wert = 7,4 konstant gehalten. pH-Werte unter 6,8 oder über 7,7 wären tödlich (Abb. 119–1a). Der H 2 CO 3 /HCO 3 – Puffer ist besonders wirksam, da es sich hier um ein offenes System handelt (Abb. 119–1b). H 2 CO 3 ist kein stabiles Molekül; es zerfällt in Koh- lenstoffdioxid und Wasser. Die Puffersäure ist daher das gasförmige CO 2 . Die CO 2 - Konzentration wird durch die Atmung geregelt. In der Lunge wird genau so viel CO 2 abgeatmet wie aus dem Stoffwechsel anfällt. Entsteht durch die Bildung von Säuren mehr CO 2 wird dieses in der Lunge sehr rasch abgeatmet. Wäre Blut ein geschlossenes System, so würde der pH-Wert stärker absinken (Abb. 119–1c). 7,5 7,0 2 H + + 2 HCO 3 – 2 CO 2 + 2 H 2 O pH = 6,93 Zugabe von H + 7,5 7,0 2 H + + 2 HCO 3 – 2 CO 2 + 2 H 2 O pH = 7,36 Zugabe von H + 7,5 7,0 H + + HCO 3 – CO 2 + H 2 O 24 mmol 1,2 mmol pH = 7,40 Puffer-Gleichgewicht a: b: c: Schüler-Experiment 5.6 Wirkung einer Pufferlösung VS Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv