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Tutorial MenueChemische GrundlagenLerneinheit 6 von 6

Pufferlösungen

pH von Pufferlösungen

Auf den letzten Seiten wurden die Grundlagen zum Verhalten von Pufferlösungen vorgestellt. Nun soll ein konkretes Beispiele näher betrachtet werden: Zwei Pufferlösungen unterschiedlicher Konzentration sollen einen "Säurestoß" erhalten. Als Vergleich soll zudem einer ungepufferten NaOH-Lösung mit dem gleichem Anfangs-pH die gleiche Menge Säure zugegeben werden.

Es liegen in unserem Beispiel ein äquimolarer 0,1M Ammonium-Puffer und ein zehnfach verdünnter Ammonium-Puffer vor. Spricht man von einem äquimolaren 0,1M Puffer, dann bedeutet dies, dass die Konzentration der Säure und der konjugierten Base je 0,05M ist.

  • Volumen der Lösungen: je 1 Liter
  • Volumen und Konzentration der zugegebenen HCl-Lösung: 5mL 1M HCl

  → Stoffmenge an zugegebenen H3O+-Ionen: nzugegeben(H3O+) = 0,005mol

Tab.1
Art der Lösung NH4+/NH3-Puffer 0,1M verdünnter NH4+/NH3-Puffer 0,01M ungepufferte NaOH-Lösung
Abb.1
Abb.2
Abb.3
Konzentrationen NH4+/NH3 [ molL-1 ] 0,05/0,05 0.005/0.005
Anfangs-pH 9,2 9,2 9,2
Säurezugabe
Abb.4
Abb.5
Abb.6
Menge an zugegebener Säure [mol] 0,005 0,005 0,005

Die Anfangs-pH-Werte der beiden Pufferlösungen sind gleich (gleiches Verhältnis der Puffersubstanzen). Der pH-Wert einer Pufferlösung bleibt beim Verdünnen konstant. Gesucht sind nun die pH-Werte aller drei Lösungen nach der Säurezugabe:

Tab.2
Konzentrationen NH4+/NH3 [ molL-1 ] 0,055/0,045 0,01 / ≈ 0,00
Berechnungsmethode pH = pKa + log [ A - ]/[HA] pH = 9,2 + log (0,045/0,055) pH = ½(pKa - log [ HA ] 0 ) pH = ½ (9,2 - log 0,01) [H3O+] ≈ 0,005mol pH = -log[H3O+] = -log 0,005
End-pH
Abb.7
Abb.8
Abb.9

Diskussion:

  • 0,1M Puffer: Der pH-Wert verändert sich nur geringfügig. Die Zugabe der Säure wurde abgepuffert. Der pH-Wert lässt sich über die Henderson-Hasselbalch-Gleichung berechnen.
  • 0,01M Puffer: Der zehnfach verdünnte Puffer hingegen konnte den "Säurestoß" nicht abpuffern. Das gesamte Ammoniak der Lösung wird in die konjugierte Säure Ammonium überführt, so dass die Henderson-Hasselbalch-Gleichung nicht mehr angewendet werden kann. Es ist eine 0,01M NH4Cl-Lösung entstanden. Der pH-Wert der Pufferlösung entspricht nach der Säurezugabe, dem einer 0,01M Säure mit pKa = 9,2 (pKa von NH4+) und lässt sich über die Formel für den pH schwacher Säuren berechnen.
Hinweis
Gleiche Volumina verschieden konzentrierter Pufferlösungen unterscheiden sich in ihrer Pufferkapazität.

Die Pufferkapazität ist definiert als diejenige Menge einer Säure oder Base, die zugegeben werden muss, um den pH-Wert eines Liters der Pufferlösung um eine Einheit auf der pH-Skala zu verändern.

Ungepufferte NaOH-Lösung: Hier ist die Änderung des pH-Werts am größten. Die Berechnung der H3O+-Ionen-Konzentration erfolgt über die Bilanz der Stoffmenge. Die nach der Säurezugabe übrige Menge H3O+ ist gleich der Differenz der Menge zugegebener Salzsäure und vorher vorliegender Menge OH. Es gilt: [ OH - ] 0 = 10 - ( 14 - 9,2 ) molL-1 = 104,8 molL-1 und für 1 Liter Lösung demnach n(OH)0 = 104,8mol2105mol n(H3O+) = n ( H 3 O + ) zugegebenen - n(OH)0 = 0,005mol - 2105mol = 0,0049mol0,005mol Die zur Neutralisation der NaOH-Lösung benötigte Menge Säure ist aber gering und kann in unserem Beispiel vernachlässigt werden. Da das Volumen der Lösung auch nach der Säurezugabe ungefähr ein Liter ist, lässt sich [H3O+] mit 0,005 molL-1 angeben.

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