Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 04.02.16


Puffersysteme

Vortrag von Barbara Oßwald im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 10/11

Gliederung:


Einstieg: In den Medien wird immer öfters darüber berichtet das es säure- und basehaltige Lebensmittel gibt. Um den Säure-Base-Haushalt im Gleichgewicht zu halten soll man darauf achten welche Lebensmittel man zu sich nimmt. Was passiert im Mund, wenn man Getränke zu uns nehmen, die im sauren oder basischen Milieu liegen?

Vorab: Auch wenn man hier Getränke zu sich nimmt, die im sauren oder basischen Milieu liegen, darf man Säuren oder Basen auf keinen Fall trinken. Der Grund dafür ist: Die Molarität einer Säure oder Base ist viel größer als bei solchen Getränken, auch wenn der pH-Wert gleich ist.

Experiment pH-Wert-Messung im Mund nach Zunahme verschiedener Getränke.
Material
  • Pinzette
  • Becherglas
  • pH-Papier
Chemikalien
  • Cola-Mix
  • Zitronensaft
Durchführung 1 Die Flüssigkeiten werden in je ein Becherglas gefüllt. In jede Flüssigkeit wird je ein Stück pH-Papier getaucht.

Ein Stück pH-Papier wird mit der Pinzette auf die Zunge gelegt.

Beobachtung 1 Der pH-Wert des Cola-Mix liegt bei etwa 3. Der von Zitronensaft bei 2.

Der pH-Wert von Speichel liegt in etwa bei 7.

Durchführung 2 Der Cola-Mix wird getrunken. Anschließend wird mit einem Stück pH-Papier der pH-Wert auf der Zunge gemessen. Der Mund wird mit Wasser gespült. Der Vorgang wird mit der anderen Flüssigkeit wiederholt.
Beobachtung 2 Das pH-Papier zeigt bei beiden Flüssigkeiten einen pH-Wert von 7.
Interpretation Trotz der Zugabe von sauren Flüssigkeiten bleibt der pH-Wert auf der Zunge konstant.

1 Wichtige chemische Eigenschaften

Starke Säuren/Basen dissoziieren in Wasser vollständig.

HA + H2O → A- + H3O+

B +  H2O → BH+ +  OH-

Schwache Säuren/Basen dissoziieren in Wasser nicht vollständig.

HA + H2O A- + H3O+

B +  H2O BH+ +  OH-

Jede schwache Säure besitzt eine konjugierte, starke Base.
Jede schwache Base besitzt eine konjugierte, starke Säure.


2 Puffersysteme

Ein Puffersystem besteht aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base bzw. aus einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure.
Die Säure-Basen-Paare liegen dabei im Gleichgewicht vor.

Experiment pH-Wert-Bestimmung von Wasser und einer Pufferlösung
Material
  • Pipette
  • Reagenzglas
  • pH-Papier
Chemikalien
  • Salzsäure c=0,1M
  • Essigsäure c=1M
  • Mischindikator
Durchführung 1 Es werden drei Reagenzgläser mit Wasser, einer Pufferlösung und Methylrot halb gefüllt.
Mit einem Stück pH-Papier wird der pH-Wert des Wassergemisches, der Salzsäure und der Natronlauge bestimmt.
Beobachtung 1 Der pH-Wert des Wasser-Puffer-Gemisches liegt bei 5, der von der Salzsäure bei 3 und der von der Natronlauge bei 10.
Durchführung 2 In das erste Reagenzglas werden 20 Tropfen Salzsäure hinzugegeben. In das zweite Reagenzglas werden 20 Tropfen Natronlauge hinzugegeben.
Von allen drei Lösungen wird mit einem Stück pH-Papier der pH-Wert gemessen.
Beobachtung 2 Der pH-Wert von allen drei Lösungen liegt bei 4 und alle drei Lösungen sind rot.
Interpretation Trotz der Zugabe einer Säure und einer Base bleibt der pH-Wert des Wasser-Puffer-Gemisches konstant.
Damit Puffersysteme wirksam sind, sollte das Verhältnis c(HA)/c(A-) bzw. c(B)/c(BH) im Bereich zwischen 1/10 und 10/1 sein. Somit wird ein Puffersystem hergestellt, dessen pH-Wert maximal um 1 abweicht.

3 Henderson-Hasselbalch-Gleichung

3.1 Puffersysteme aus einer schwachen Säure und ihren konjugierten Basen

Je verdünnter eine Lösung ist, desto näher liegt der Aktivitätskoeffizent f(X) bei 1. Dabei kann man das Massenwirkungsgesetz bei verdünnten Lösungen mit den Konzentrationen bestimmen.

Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Beispiel: Eine Lösung aus Essigsäure und Acetat Ionen ist ein Puffersystem mit einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base.

 

3.2 Puffersysteme aus einer schwachen Base und ihren konjugierten Säuren

Auch hier liegt eine verdünnte Lösung vor.

Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Beispiel: Eine Lösung aus Ammoniak und Ammonium Ionen ist ein Puffersystem mit einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure.


4 Pufferpunkt

Liegt ein Verhältnis von 1 zwischen der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base vor, so ist der Logarithmus gleich Null. Damit ist der pH-Wert gleich dem pKs-Wert, was charakteristisch für den Pufferpunkt ist.

Dies gilt analog für eine schwache Base und ihrer konjugierten Säure.

Bedeutung: Am Pufferpunkt haben die schwache Säure/Base und ihre konjugierte Base/Säure die gleiche Konzentration. Dieser Punkt liegt auf halben weg zum Äquivalenzpunkt.


Zusammenfassung

Im Körper gibt es einige Puffersysteme die alle dafür sorgen das der Säure-Base-Haushalt im Gleichgewicht bleibt. Daher ist es nicht möglich dieses Gleichgewicht durch Lebensmittel zu beeinflussen.

In der Chemie werden Puffersysteme benutzt, um Lösungen herzustellen, die einen definierten pH-Wert haben. Auch hier gilt, dass viele Reaktionen nur in gewissen pH-Bereichen ablaufen können.


Literatur
  1. Mortimer C., Müller U.: Chemie: Das Basiswissen der Chemie, Thieme, Stuttgart, 2010.
  2. http://www.guidobauersachs.de/chemie-ecke.html, Zugriff: 13.01.2016.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 04.02.16