Chemie Puffer Beispiel aus Medizin Studium, wie geht man hier vor?
Puffer dienen dazu, den pH-Wert innerhalb sehr enger Grenzen zu halten. Welche Mischungen ergeben in wässriger Lösung einen Puffer? (2 richtige Antworten)
Die Antworten sind A und D. Wie geht man hier vor? Danke im Voraus!
2 Antworten
Moin,
tja, wie geht man vor? Zunächst solltest du dir klar machen, was ein Puffer ist und wie er funktioniert. Mit klar machen meine ich weniger Definitionen und/oder Erklärungen herunterbeten zu können, sondern tatsächlich zu verstehen, worum es geht.
Wenn du das hinter dir hast, dann weißt du, dass ein Puffer eine Mischung gleicher Mengen (äquimolar) einer schwachen Säure (oder Base) und eines Salzes dieser schwachen Säure (oder Base) ist.
Im Falle der Säure muss sie schwach sein, damit nicht alle ihre Moleküle in einer wässrigen Lösung vollständig deprotonieren (also ihre Protonen abgeben). Es muss also noch eine mehr oder weniger große Menge an Molekülen vorhanden sein, die ihre Protonen abgeben können.
Nun ist es hilfreich zu wissen, welche der genannten Stoffe überhaupt als Säuren reagieren können und wie stark diese sind. Dazu brauchst du Erfahrung oder eine Liste der Säurestärken (pKs-Werte).
Natriumdihydrogenphosphat (NaH2PO4) ist ein sogenanntes „saures Salz”, das heißt, dass das Dihydrogenphosphat-Anion (H2PO4^–) nicht nur das Gegenion zum Natriumkation im Salz, sondern seinerseits selbst auch eine schwache Säure darstellt.
Dinatriumhydrogenphosphat (Na2HPO4) ist ebenfalls ein Salz, das ein Anion enthält, welches theoretisch noch ein Proton abspalten könnte, aber das tut es in nennenswerter Menge nur bei gleichzeitiger Anwesenheit einer Base. Du kannst also festhalten, dass das Hydrogenphosphat eine noch viieel schwächere Säure ist.
Somit hättest du hier eine Mischung aus einer schwachen Säure (dem Dihydrogenphosphat-Anion) und einem Salz dieser schwachen Säure. Daher bildet dieses System bei äquimolarer Mischung einen Puffer...
Das nächste Paar in deiner Lösung sind wieder zwei Salze. Aber während das Natriumacetat (CH3–COONa) ein Salz der schwachen Essigsäure ist, ist das Natriumchlorid (NaCl) das Salz der sehr starken Salzsäure. Damit ist bereits hier die Bedingung für ein Puffersystem nicht mehr gegeben.
Du könntest auch so argumentieren: Weder das Natriumacetat noch das Natriumchlorid verfügen über gebundene abspaltbare (azide) Wasserstoffatome, so dass die schwache Säure-Komponente eines Puffers fehlt!
Im nächsten Fall hast du mit Ammoniak eine schwache Base vor dir. Aber die soll mit der starken Base Natriumhydroxid gemischt werden. Hier fehlt für einen Puffer das Salz der schwachen Base (zum Beispiel Ammoniumchlorid, NH4Cl). Oder anders argumentiert: Es gibt kein Teilchen, das als Säure fungieren könnte. Daher: kein Puffer...
Dann folgt ein Pärchen, bei dem wieder beides gegeben ist: Kohlensäure ist eine (instabile) schwache Säure. Das Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) ist ein Salz dieser schwachen Säure (das selbst wieder nur theoretisch ein weiteres Proton abspalten könnte, was es aber normalerweise nicht tut, weil es eine sehr schwache Säure ist). Bei einer äquimolaren Mischung dieser Stoffe erhältst du folglich wieder einen Puffer.
Beim letzten Paar scheitert das ganze bereits daran, dass Schwefelsäure eine sehr starke Säure ist. Da ist es dann auch schon egal, dass Natriumhydrogensulfat (NaHSO4) wieder ein saures Salz ist, das in wässrigen Lösungen eher selbst ein Proton abspalten würde, als eines aufzunehmen. Ergo: kein Puffer!
Du könntest bei zwei Beispielen deiner Liste mit bestimmten Stoffen entsprechende Puffer bilden, nämlich bei
B) CH3–COOH / CH3–COONa (Essigsäure-Acetat-Puffer) und bei
C) NH3 / NH4Cl (Ammonium-Ammoniak-Puffer),
aber das war ja nicht die Aufgabe. Trotzdem lohnt es sich für dich vielleicht, einmal darüber nachzudenken, warum es in diesen Neukombination puffernde Systeme wären...
LG von der Waterkant
Gern geschehen. Und was deine zweite Frage angeht, so lautet die entschiedene Antwort: „Jein!"
Überleg dir doch einmal, was bei dieser Mischung passiert...
Die starke Natronlauge zerfällt (dissoziiert) im Wasser vollständig in ihre Ionen:
NaOH (s) --[H2O]--> Na^+ (aq) + OH^– (aq)
Bei Anwesenheit von Essigsäure, geben nun so viele Essigsäuremoleküle Protonen ab, bis alle Hydroxid-Ionen zu Wasser geworden sind:
CH3–COOH (aq) + OH^– (aq) ---> CH3–COO^– (aq) + H2O (l)
Als Gegenion für die entstehenden Acetat-Anionen (CH3–COO^–) hast du die Natriumkationen (Na^+) aus der Natronlauge.
Tja, und woraus besteht dann dein puffernden System in Wirklichkeit? Aus noch vorhandener undissoziierter Essigsäure (CH3–COOH, in deinem Beispiel 5 mol, weil 5 mol dafür gebraucht wurden, die 5 mol OH^–-Ionen zu neutralisieren) und dem entstehenden Natriumacetat (CH3–COONa, auch hier 5 mol). Damit hast du also in Wahrheit wieder eine äquimolare Mischung aus einer schwachen Säure (Essigsäure) und deren Salz (Natriumacetat). Et voilá, alles ist gut, unsere Definition eines Puffers bleibt erhalten...
Nochmals ein lieber Gruß von der Waterkant
Nimm einfach einmal die Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch her, daran kann man es schon erkennen.
pH = pKs + log c(A⁻)/c(HA)
Man sieht, dass hinter dem log einmal die Konzentration der Puffersäure HA auftaucht und ebenso die der korrespondierenden Base A⁻. Das ist schon einmal eine Voraussetzung für eine wirksame Pufferung. Danach wären A, D und E geeignete Kandidaten.
Die Pufferwirkung entfaltet sich optimal am Punkt pH = pKs, also wenn gilt c(A⁻) ungefähr gleich c(HA). Bei der Schwefelsäure hat man einen pKs1 von -3. Das ist ein pH-Bereich, der für eine Pufferung in praxi nicht sinnvoll ist.
Vielen Dank für die ausführliche Antwort!
In einer weiteren Aufgabe gilt die Mischung von 10mol CH3-COOH und 5mol NaOH als Beispiel für eine Pufferlösung. Hier werden jedoch eine schwache Säure und eine starke Base gemischt. Also müssen es nicht immer eine schwache Säure(Base) und deren Salz sein?
Danke im Voraus!