Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme

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Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
Aufgaben: Erklären Sie, wie der pH-Wert definiert ist und wofür er ein Maß darstellt!
Erläutern Sie die Bereiche der pH-Skala und die sie charakterisierenden pH-Werte!
Wiederholen Sie die grundlegenden Begriffe der BRÖNSTEDTschen Säure-Base-Theorie und
die Algorithmen der pH-Berechnung für starke und schwache Säuren bzw. Basen, für
Ampholyte und Puffersysteme! Überprüfen Sie durch Lösen der Übungsaufgaben zur pHBerechnung (S. 27) Ihre Kenntnisse! Was sind Puffer? Woraus bestehen sie und wie wirken
sie?
Sehr viele chemische Prozesse erfordern eine bestimmte Hydroniumionenkonzentration, also
einen definierten pH-Wert. Die Komplexometrie mit EDTA (Versuch 4) und der Aufbau und
das Messprinzip der Glaselektrode (Versuche 2 und 3) sind Beispiele dafür aus dem Bereich
der analytischen Chemie, die in diesem Praktikum genutzt werden. Noch ausgeprägter sind die
Anforderungen an einen definierten, in meist sehr engen Grenzen konstanten pH-Wert bei den
Lebensprozessen, da u. a. die Enzymaktivitäten stark pH-abhängig sind. Das erfordert sowohl
Methoden zur einfachen, schnellen, meist groben Kontrolle des pH-Wertes als auch zu seiner
exakten Messung.
Aufgaben: Nennen Sie drei praktische Methoden der pH-Wert-Ermittlung! Welche pH-Werte
wurden in verschiedenen Körperflüssigkeiten beim Menschen gemessen? Nennen Sie
Beispiele für saure bzw. basische Körperflüssigkeiten!
1. pH-Messung mit der Glaselektrode
1. 1. Messgeräte
Anzeigegeräte:
Es werden die pH-Messgeräte PH100 ATC (Hersteller Voltcraft – ohne Abb.), TM 35 oder TM
39 (Hersteller Sensortechnik Meinsberg) verwendet, deren Elektronik in den abgebildeten
Plastgehäusen untergebracht ist (Abb. 1). Auf der Gehäuseoberseite des analogen TM 35
befinden sich das Display, der Funktionsschalter und die beiden Regler zur Einstellung des
Kettennullpunktes sowie der Elektrodensteilheit. Beim PH100 ATC befinden sich diese Regler
seitlich rechts unter einer Kunststoffklappe und sind nur mit einem Feinschraubendreher zu
bedienen. Auf der Gehäuseoberseite des digitalen TM 39 befinden sich ein
Multifunktionsdisplay und sechs gelbe Funktionstasten. Alle Geräte sind über abgeschirmte
Leitungen mit den dazugehörigen Glaselektroden verbunden.
Glaselektroden:
Das Herzstück jedes modernen pH-Meters ist die Glaselektrode (Abb. 2), die baulich meist als
sogenannte Einstabmesskette ausgeführt wird, indem die zwei Halbelemente der Messkette,
Ableit- und Bezugselektrode, konstruktiv gemeinsam in einem doppelwandigen Glasrohr
untergebracht sind.
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Abbildung 1
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pH-Messgeräte TM 35 und TM 39
Die Glaselektrode ist definiert als eine Elektrode, die aus einem doppelten 2-Phasensystem mit
Glas als gemeinsamer Phase besteht. Empirisch wurde gefunden, dass sich an beiden
Grenzflächen, innen und außen, H3O+-abhängige Potentiale ausbilden (sog. Grenzflächenpotentiale), für die zusammen die NERNST-Gleichung gilt:
RT
[H3O+]x (außen)
E = E0 + —— ln ———————
F
[H3O+]i (innen)
E0 und F sind innerhalb
[H3O+]x
des Messgerätes konstant! E = 2,3 RT lg ————
[H3O+]i
Nach dem Einsetzen der Zahlenwerte für R und F sowie pH = - lg [H3O+] erhält man bei T =
298 K :
E = 0,059 (pHi – pHx) V
pHi (Versuch) = 6,86
Eine äußere pH-Änderung um eine Einheit bewirkt also bei 25 oC eine Grenzflächenpotentialänderung von 59 mV! (59 mV/pH = theoretische Steilheit der Glaselektrode)
Auf den Messinstrumenten wird jedoch der pH-Wert direkt angegeben!
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Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
Um das schwache Grenzflächenpotential überhaupt messen zu können, bedarf es einer
Ableitelektrode konstanten Potentials, Ag/AgCl. (Glas selbst kann nicht abgegriffen werden, es
ist ein Isolator!)
Achtung: Bei den am
TM 35 genutzten
Glaselektroden, Typ
EGA 151, liegt die sehr
dünnwandige
Glasmembrankugel
frei und ist daher
extrem leicht
zerbrechlich. (Die
Glaselektroden am
PH100 ATC und am
TM 39 haben ein
Schutzgehäuse aus
Kunststoff und sind
robuster.)
1)
pH-unabhängig
Abbildung 2 Aufbau einer Glaselektrode zur pH-Messung (Einstabmesskette)
Abbildung 3 Schema des Gesamtvorganges (Aneinanderreihung von Halbelementen = Kette)
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
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Das mit der Ag/AgCl-Ableitelektrode erfasste Grenzflächenpotential, vertritt praktisch die
Stelle eines üblichen Redoxpaares (= 1. Halbzelle). Eine EMK erfordert eine galvanische
Kette, dazu benötigt man ein zweites Redoxpaar (= 2. Halbzelle). Dieses wird von der
Bezugselektrode gebildet, das ist die allgemein benutzte Hg/Hg2Cl2-Elektrode mit ebenfalls
konstantem Potential. (Das schwer lösliche Hg2Cl2 heißt mit Trivialnamen Kalomel, deshalb
spricht man bei der Vergleichselektrode von einer Kalomelelektrode). Bei der potentiometrischen Messung an der Glaselektrode fließt kein Strom!
Laut Theorie entstehen die Grenzflächenpotentiale der Glaselektrode, indem Alkaliionen in der
Gelschicht der Glaskugel durch H3O+ ausgetauscht werden. Das daraus resultierende
Konzentrationsgefälle führt zum Grenzflächenpotential. Ein Durchlass von H3O+ durch die
Glaswand findet jedoch nicht statt. Die Bezeichnung „Membran“ wird für die Glaskugel
trotzdem noch verwendet (s. Abb. 2). Na+ und K+ sind in den Gelschichten der sogenannten
Alkaligläser reichlich vorhanden. Die Gelschicht = Quellschicht bildet sich aufgrund der
amorphen Festkörperstruktur dieser Gläser an deren Oberfläche nach langer Einwirkung von
Wasser aus. Sie ist nur wenige Molekülschichten dick und muss durch ständigen
Wasserkontakt erhalten werden. Ein Austrocknen der äußeren Quellschicht, wenn z. B. die
Elektrode nicht in wässriger Lösung (3 mol·l–1 KCl-Lösung) aufbewahrt wird, macht die
Glaselektrode unbrauchbar. Messungen sind dann erst nach z. T. mehrtägigem Quellen in
Wasser eventuell wieder möglich.
Potentiometrische pH-Messungen erfolgen heute nur noch mit der Glaselektrode.
Vorteile dieser Elektroden sind:
-
Schnelle Potentialeinstellung
-
Messbereich: pH 2-10 mit einem Maßstab
-
Gegen die anorganischen Elektrodengifte As, S, CN– u.a. inert
-
Biologisches Material messbar; Eiweiß sonst Elektrodengift
-
Mikroausführungen und gute Sterilisierbarkeit ermöglichen pH-Messungen in vivo.
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1.2. Messung
Am Beginn jedes Praktikumstages führt man an einem Eichpuffer eine Kontrollmessung durch
und entscheidet nach deren Ergebnis, ob die Geräte zu kalibrieren sind! Seit November 2011
wird am Versuch 2 nur noch das PH100 ATC eingesetzt, das TM 35 kommt eventuell nur als
Reservegerät zum Einsatz.
Kalibrierung der Messgeräte PH100 ATC und TM 35 – Zwei-Punkte-Kalibrierung
Wichtige Schutzmaßnahmen für die Elektroden (EGA 151) des TM 35 mit frei liegender
Glasmembrankugel: Die Elektrode darf nie der Elektrodenhalterung entnommen werden
und muss während der gesamten Messung so in der Elektrodenhalterung eingespannt
bleiben, wie Sie sie vorfinden. Die Elektrode darf auf keinen Fall in der Elektrodenhalterung nach unten verrutschen. Bewegen Sie die Elektrode nur mit der Elektrodenhalterung entlang des Stativstabs, d. h. ausschließlich senkrecht!
a) Einstellung des Kettennullpunktes und allgemeine Arbeitsanleitung zur pH-Messung
Die Elektrode wird aus dem Erlenmeyerkolben mit der 3 mol·l–1 KCl-Aufbewahrungslösung
entnommen, indem die höhenverstellbare Elektrodenhalterung am Stativ mit der Elektrode
senkrecht nach oben gezogen wird. Unter die Elektrode wird eine große Glasschale als
Spülwasserauffanggefäß geschoben. Die Elektrode wird mit der Elektrodenhalterung etwas
abgesenkt und gründlich mit dest. Wasser von allen Seiten abgespült. Dann wird die
höhenverstellbare Elektrodenhalterung mit der Elektrode wieder am Stativ nach oben
geschoben und das Spülwasserauffanggefäß wird auf der Tischplatte unter der Elektrode weg
gezogen. Es wird nicht angehoben, solange es sich unter der Elektrode befindet, damit diese
nicht zerstört wird! Diese Spülprozedur ist vor jeder einzelnen Eichung und Messung
durchzuführen. Am PH100 ATC folgt dem Abspülen unbedingt noch eine Tauchspülung
mit dest. H2O! Dazu füllen Sie zwei mit A und B gekennzeichnete 25 ml Bechergläschen halb
voll mit dest. H2O. Tauchen Sie die Elektrode mindestens 15 sec in das Spülgefäß A, dann
ebenfalls mindestens 15 sec in das Spülgefäß B. Danach kann gemessen werden. Nach 3
Messungen nutzen Sie Glas B zur ersten Tauchspülung, Gläschen A wird ausgegossen,
ausgespült, mit frischem dest. H2O halb gefüllt und zur zweiten Tauchspülung benutzt. Nach 3
weiteren Messungen nehmen Sie Gläschen A wieder für die erste Tauchspülung usw.. Auf die
Tauchspülung kann bei systematischen pH-Änderungen innerhalb einer ähnlichen Messreihe
(steigende HCl-Konz., steigende HCl-Belastung des Acetat-Puffers) verzichtet werden. Sie
sollte aber am PH100 ATC immer dann durchgeführt werden, wenn Sie starke pH-Änderungen
erwarten, bzw. beim Kalibrieren, bevor Sie die Elektrode in den anderen Puffer eintauchen.
Das Gefäß mit der Eich-Pufferlösung mit dem pH = 7,00 (pH = 6,86 beim TM 35) wird
aufgeschraubt und auf der Tischplatte unter die Elektrode geschoben und exakt platziert. Dann
wird die Elektrode mit der höhenverstellbaren Elektrodenhalterung in ihre untere Position bis
zum Anschlag abgesenkt! Nur so wird beim TM 35 die Einstabelektrode bis zum Diaphragma
eingetaucht. Wenn das Diaphragma der Elektrode nicht in die Eich- oder Messlösung
eintaucht, ist eine Messung unmöglich! (In diesem Fall ist zu wenig Lösung im Messgefäß.)
Das Gerät wird eingeschaltet (PH100 ATC) bzw. wird der Funktionsschalter (TM 35) auf pH
gestellt und man lässt der Elektrode Zeit zum äquilibrieren. Am PH100 ATC kann die
Äquilibrierung durch Konvektion unterstützt werden, z. B. durch vorsichtiges Schwenken der
Messlösung. (Möglichst nicht länger als 50 Sekunden äquilibrieren lassen! Tritt bei Messungen
vor allem im Neutralen oder im Alkalischen so genanntes „Elektrodenkriechen“ auf, das ist die
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
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sehr langsame pH-Änderung in eine Richtung, wird der Wert nach ca. 50 Sekunden genommen
und damit diese Messung beendet.) Weicht der angezeigte Wert mehr als 0,01 pH-Einheiten
von 7,00 bzw. 6,86 ab, wird er mit dem Kalibrierungstrimmer CAL PH7 (PH100 ATC) bzw.
dem Regler für den Kettennullpunkt (evtl. unter Nutzung einer Münze oder einem Spatel als
Werkzeug am TM 35) korrigiert. Warten Sie, bis die Anzeige zur Ruhe gekommen ist.
Schieben Sie die höhenverstellbare Elektrodenhalterung mit der Elektrode am Stativ nach
oben. Das Gefäß mit der Eich-Pufferlösung wird auf der Tischplatte unter der Elektrode
weggezogen, zugeschraubt und zurückgestellt. Am TM 35 haben Sie jetzt den Kettennullpunkt,
d. h. den potentialfreien Zustand kalibriert und ihm den pH-Wert von 6,86 zugeordnet. Diese
vom Elektroden-Hersteller gelieferte Eich-Pufferlösung ist genau die, die sich in der
Glaselektrode befindet.
b) Einstellung der Steilheit
Diese Einstellung berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes. Spülen Sie wie
vorher beschrieben und verwenden Sie dann die Eich-Pufferlösung pH = 4,00 (PH100 ATC)
bzw. pH = 1,68 (TM 35) und verfahren Sie, wie bereits beschrieben. Der Kalibrierwert ist jetzt
allerdings am Einstellregler für die Steilheit zu korrigieren. (Trimmer SLOPE PH4/PH10 am
PH100 ATC) Damit haben Sie diese Elektrode für den sauren pH-Bereich kalibriert. Am
PH100 ATC wird der gesamte Kalibrierungsablauf noch zweimal wiederholt. Dann führen
Sie damit alle Messaufgaben durch! Dieses Gerät gibt basische pH-Werte nur aufgrund von
Extrapolation an, die dadurch ungenauer als am TM 35 sind. Am TM 35 messen Sie nach der
Kalibrierung des sauren Bereichs nur die Lösungen, die saure und fast neutrale pH-Werte
erwarten lassen. Da die Messung von alkalischen Werten mit den so kalibrierten Elektroden
erheblich fehlerhaft ist, wiederholen Sie an der Elektrode des TM 35 die Einstellung der
Steilheit mit der Eich-Pufferlösung vom pH = 9,18, bevor Sie mit den Messungen von
alkalischen Lösungen beginnen!
Eichung des Messgerätes TM 39 – Drei-Punkte-Kalibrierung
Wichtiger Hinweis für die Nutzung der Elektroden (EGA 142) mit geschützter
Glasmembrankugel: Die Elektrode muss der Elektrodenhalterung entnommen werden,
denn sie benötigt eine intensivere Spülprozedur als die Elektroden mit frei liegender
Glasmembrankugel.
Spülvorgang: Die Elektrode wird aus dem Reagenzglas mit der 3 mol·l–1 KClAufbewahrungslösung entnommen und schräg über ein Spülwasserauffanggefäß gehalten. Die
Elektrode wird gründlich mit dest. Wasser von allen Seiten außen abgespült. Dann wird der
dest. Wasserstrahl zum Spülen der Glasmembrankugel und des Temperaturfühlers durch den
seitlichen Schlitz in der Kunststoffschutzhülle direkt auf die Glasmembrankugel und den
Temperaturfühler gerichtet. Wiederholen Sie das direkte Spülen der Glasmembrankugel und
des Temperaturfühlers, nachdem Sie die Elektrode 180 o um deren Längsachse gedreht haben.
Vor der Messung muss diesem Abspülen noch eine Tauchspülung von mindestens 1 min in
dest. Wasser folgen! Dazu wird die Elektrode in die Halterung geklemmt und durch Absenken
der Halterungsklemme samt Muffe am Stativstab in ein sauberes Becherglas mit dest. Wasser
getaucht und dort mindestens 1 min belassen. Dabei muss die Elektrode mindestens so tief in
das dest. Wasser tauchen, wie sie zuvor in die Aufbewahrungslösung bzw. Messlösung
eintauchte.
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Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
Für die Drei-Punkte-Kalibrierung, die nur am mit Kleinrechner ausgerüsteten digitalem TM 39
möglich ist, werden nacheinander der Kettennullpunkt (Eich-Pufferlösung pH = 6,86), der
Eichpunkt im Sauren (Eich-Pufferlösung pH = 4,01) und abschließend der Eichpunkt im
Alkalischen (Eich-Pufferlösung pH = 9,18) eingestellt.
Begonnen wird immer mit der Eich-Pufferlösung pH = 6,86! Das Gefäß wird aufgeschraubt
und unter die Elektrode gestellt. Tauchen Sie dann die Elektrode in die Eich-Pufferlösung ein,
indem Sie diese mit der Halterungsklemme samt Muffe am Stativstab senkrecht nach unten
absenken. Dann wird das Messgerät durch kurzen Druck auf die ON/OFF-Taste (1)
eingeschaltet. Auf dem Display erscheinen der pH-Wert und darunter die Temperatur der
gemessen Lösung in oC. Ein kleiner schwarzer Pfeil rechts oben auf dem Display muss auf das
weiße pH-Symbol des Display-Rahmens, ein weiterer links unten auf das gelbe ATC-Symbol
des Display-Rahmens weisen. Sie zeigen an, dass sich das Gerät im pH-Messmodus mit
aktiver automatischer Temperaturkontrolle befindet. Sollte das nicht der Fall sein, informieren
Sie den Assistenten, der dann den Betriebsmodus korrigieren oder die Batterie wechseln muss!
Lesen Sie den pH-Wert erst ab, wenn ein kleiner schwarzer Pfeil unten auf dem Display auf
das gelbe ok-Symbol des Display-Rahmens zeigt.
Liegt der angezeigte Wert im Bereich 6,86 ! 0,15, kann die Elektrode ohne die
nachfolgend beschriebene Kalibrierung benutzt werden!
Durch 2 Sekunden langes Drücken der CAL-Taste (3) kommen Sie dann in den
Kalibriermodus des TM 39 (Ein kleiner schwarzer Pfeil unten auf dem Display zeigt auf das
gelbe CAL-Symbol des Display-Rahmens.) Das TM 39 verfügt über eine automatische EichPuffer-Erkennung, so dass kurz danach der Eichwert als pH-Anzeige blinkt und darunter die
Anzeige „Pt. 1“ (1. Eichpunkt) erscheint. Warten Sie, bis der Eichwert nicht mehr blinkt und
ein kleiner schwarzer Pfeil unten auf dem Display auf das gelbe ok-Symbol des DisplayRahmens zeigt. Ist diese Anzeige ca. 30 s stabil, geben Sie diesen Kalibrierpunkt durch
Drücken der Store/Quit-Taste (6) ein. Führen Sie nun den oben beschriebenen Spülvorgang
durch! Wenn Sie damit fertig sind und die Elektrode wie beschrieben in die zweite EichPufferlösung pH = 4,01 eintaucht, sollte der Wert automatisch erkannt werden und als Anzeige
blinken. Darunter erscheint jetzt die Anzeige „Pt. 2“ (2. Eichpunkt). Warten Sie, bis der
Eichwert nicht mehr blinkt und der ok-Pfeil erscheint. Ist diese Anzeige ca. 30 s stabil, drücken
Sie die Store/Quit-Taste (6). Nach erneutem Spülvorgang wird auf gleiche Weise der dritte
Kalibrierpunkt (Eich-Pufferlösung pH = 9,18) geeicht. Mit dem letzten Drücken der
Store/Quit-Taste (6) ist die Glaselektrode calibriert und für ca. 3 s erscheint auf dem Display
ein Diagnosewert für den Zustand der pH-Einstabmesskette: Bei Werten > 90 % ist diese in
sehr gutem Zustand, bei Werten unter 30 % sollte eine neue Elektrode genommen werden!
Nach nochmaligem Spülen ist die Elektrode für den gesamten pH-Bereich messbereit.
Treten während des Eichvorgangs Meldungen auf wie „CAL.-Err. 1“, „CAL.-Err. 2“ etc. oder
ein blinkendes CAL-Symbol, so melden Sie das sofort dem Assistenten.
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
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1.3. pH-Messaufgaben an Säuren und Salzlösungen
Wenn keine exakten Volumenvorgaben gemacht werden, gibt man in das saubere, ausgespülte
Messgefäß (25 ml Becherglas) jeweils 15-20 ml der zu untersuchenden Lösung und führt die
Messung mit der geeichten und frisch gespülten Elektrode durch.
1.3.1. pH-Wert-Messung und Vergleich von dest. Wasser mit Leitungswasser
Messen Sie die pH-Werte für a) destilliertes Wasser und für b) Leitungswasser. Diskutieren Sie
kurz die Ursachen der Unterschiede. Formulieren Sie die Gleichung, die den schwach sauren
Charakter des dest. Wassers beschreibt!
1.3.2. pH-Wert-Messung und pH-Berechnung von verdünnten Salzsäuren
Messen Sie die pH-Werte von folgenden verdünnten Salzsäuren 0,08 M; 0,06 M; 0,04 M; 0,03
M; 0,02 M und 0,01 M HCl und stellen Sie die Messwerte in einer Tabelle den bei der
Versuchsvorbereitung bereits auf 0,01 pH-Einheiten genau berechneten pH-Werten gegenüber! (M = molar = mol·l–1) Stellen Sie in einem Diagramm die Kurve pH = f([HCl]) für Ihre
Messwerte dar! Nehmen Sie als Kurvenpunkt den Wert für [HCl] = 0 mol·l–1 unbedingt mit in
die Kurve auf (vgl. Aufgabe 1.3.1)! Beachten Sie bei der Größe des Diagramms und der
Festlegung des Koordinatenmaßstabs, dass in dieses Diagramm auch die Kurve von Aufgabe
2.2.1. eingezeichnet werden muss!
1.3.3. Identifizierung einer unbekannten 0,1 M Natriumphosphat-Lösung durch pH-Messung
Weiterhin ist von einer 0,1 mol·l–1 Lösung eines Ihnen unbekannten Natriumphosphates der
pH-Wert zu messen. Ermitteln Sie, welches der 3 möglichen Natriumphosphate (siehe Vers.1,
Seite 9) in der ausgegebenen unbekannten Lösung vorliegt, indem Sie den gemessenen pHWert mit den in der Vorbereitung berechneten pH-Werten vergleichen! Zur Berechnung evtl.
benötigte pKS-Werte: 1,96 (H3PO4); 7,12 (H2PO4–); 12,32 (HPO42– ).
Erläutern Sie den gefundenen pH-Wert mit der Hydrolysegleichung (Dissoziationsgleichung)
für das identifizierte Phosphat-Anion!
Achtung bei Messung mit dem TM 35: Vor der Messung prüfen Sie mit pH-Papier grob den
pH-Wert. Liegt er im Alkalischen, ist die unbekannte Phosphatlösung erst zum Schluss, d. h.
nachdem die Elektrode für den alkalischen Bereich geeicht wurde, zu messen!
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2.
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
pH-Werte von Puffern
2.1. Grundlagen
Puffer sind Substanzgemische, die den pH-Wert einer wässrigen Lösung weitgehend konstant
halten. Pufferlösungen enthalten schwache Säuren und deren Salze (d. h. schwache Säuren und
ihre korrespondierenden Basen) oder schwache Basen und deren Salze (d. h. schwache Basen
und ihre korrespondierenden Säuren), sie ändern ihren pH-Wert auf Zusatz von begrenzten
Mengen starker Säuren oder starker Basen nicht wesentlich. Sie wirken durch Pufferung
(Zurückdrängung) der so zugesetzten H3O+- bzw. OH–-Ionen. Das bekannteste und
physiologisch wichtigste Beispiel für ein Puffersystem ist das menschliche Blut, dem der
Organismus lediglich eine Schwankung des pH-Wertes von 7,38-7,42 erlaubt. Dessen
Aufrechterhaltung wird von einem Gemisch verschiedener Puffer gewährleistet, hauptsächlich
von speziellen Eiweißen neben Phosphatpuffer und dem wichtigen, respiratorisch regelbaren
Kohlensäure / Hydrogencarbonat-Puffer.
Aufgabe: Welche Pufferkapazitätsanteile des Blutes repräsentieren diese drei Systeme etwa?
Puffer sind jeweils, in Abhängigkeit von den pK-Werten der Komponenten, in bestimmten pHBereichen wirksam. Beispiele für praktisch angewandte Systeme sind z.B. (pH-Bereich):
Phosphatpuffer NaH2PO4 / Na2HPO4 (7-8),
Ammonchloridpuffer NH4Cl / NH3 (9-9,5),
+
+
Glycinpuffer (Ermittlung = heutige Aufgabe) 1. Bereich H3N-CH2-COOH / H3N-CH2-COO–
+
2. Bereich H3N-CH2-COO– / H2N-CH2-COO–
Acetatpuffer H3C-COOH / H3C-COO–, (4-5,5; Untersuchung der Pufferkapazität = heutige
Aufgabe)
Quantitative Beschreibung der Pufferwirkung am Beispiel des Acetatpuffers
In einem System, das aus einer schwachen Säure und deren Salz besteht, z.B. AcOH / AcONa
(AcOH = Essigsäure, H3C-COOH, AcO– = Acetat, H3C-COO–, denn Ac ist die in der Chemie
übliche Abkürzung für den Acetylrest) wird durch den Salzzusatz im Gleichgewicht (1) die
Dissoziation der Säure weitgehend zurückgedrängt, so dass [AcOH] der Gesamtkonzentration
an eingewogener Essigsäure, [AcO-] der Gesamtkonzentration an eingewogenem Salz
entspricht.
(1) AcOH + H2O
[H3O+][ AcO–]
KS = ——————
[AcOH]
H3O+ + AcO–
KS [AcOH]
[H3O+] = ——————
[AcO–]
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
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[AcOH]
– lg [H3O+] = – lg KS – lg ————
[AcO–]
(2)
[AcO–]
pH = pKS + lg ————
[AcOH]
Mit Gleichung 2 lässt sich der pH-Wert für beliebige Pufferzusammensetzungen berechnen.
Für beliebige schwache Säuren HA und ihre korrespondierenden Basen A– ausgedrückt ist es
die Allgemeine Puffergleichung oder Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
[A–]
pH = pKs + lg ———
[HA]
1. Beispiel: Gemisch mit [AcOH] = 0,1 mol/l und [AcO-] = 1 mol/l, pKs (Essigsäure) = 4,76,
pH = 4,76 + lg 1,0/0,1 = 5,76.
Die Frage, wie sich der pH-Wert einer Pufferlösung bei (begrenztem) Zusatz einer bekannten
Menge an starker Säure verändert, lässt sich ebenfalls mit Gleichung 2 beantworten.
2. Beispiel: Zu 0,5 l einer AcOH- und AcONa-Lösung, die jeweils 2 M ist, gibt man 0,5 l
Salzsäure mit [HCl] = 0,2 M. Zunächst ermittelt man die nach dem Mischen vorliegenden
Konzentrationen. Ohne chemische Änderung wäre jetzt [AcOH] = [AcONa] = 1 M und [HCl]
= 0,1 M. Es muss aber berücksichtigt werden, dass jetzt die starke HCl die schwache AcOH
vollständig aus derem Salz verdrängt: HCl + AcONa
AcOH + NaCl.
0,1 mol AcONa verschwinden, dafür entstehen 0,1 mol AcOH.
Tatsächliche [AcONa] = 1 M – 0,1 M = 0,9 M.
[AcOH] = 1 M + 0,1 M = 1,1 M. pH = 4,76 + lg 0,9/1,1 = 4,76 + lg 0,82 = 4,67. Ohne
Salzsäurezusatz hatte der Puffer den pH-Wert von 4,76, so dass die Salzsäure nur eine geringe
pH-Verschiebung im Puffer bewirkte. Der pH-Wert der ungepufferten 0,1 M HCl (starke
Säure) wäre dagegen:
pH = – lg [H3O+] = – lg 0,1 = 1 ([H3O+] = [HCl], da vollständig dissoziert)!
Die Pufferung beruht also darauf, dass die starke Säure durch das Salz in die
(undissoziierte) schwache Säure überführt wird.
Die Wirksamkeit eines Puffers gegen den Zusatz starker Säuren (bzw. H3O+-Ionen) oder
starker Basen (bzw. OH–-Ionen) beschreibt quantitativ die Größe der Pufferkapazität. Sie ist
definiert als die Stoffmenge an starker Säure oder Base, die bei 1 Liter Pufferlösung den pHWert um eine Einheit verschiebt. Die Pufferkapazität wird also als Stoffmenge angegeben,
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Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
d. h., sie hat einen Zahlenwert und die Maßeinheit mol! Sie hängt entscheidend von der
Gesamtkonzentration (Verdünnung) des Puffers ab. Bsp.: Verdünnung einer Pufferlösung
durch das gleiche Volumen Wasser senkt die Pufferkapazität um die Hälfte. Weiterhin wird die
Pufferkapazität entscheidend durch das Verhältnis der Pufferkomponenten [A–] : [HA]
(Zusammensetzung) bestimmt. Es ist logisch, dass ein Puffer H3O+- und auch OH–-Ionen am
besten puffert, wenn [A–] : [HA] = 1 ist. Der pH-Wert wird deshalb (etwas unglücklich) als
pH-Optimum bezeichnet, wenn im Puffer [A–] : [HA] = 1 ist. (Gemeint ist damit der pH-Wert,
bei dem ein Puffer am besten wirkt, also die größte Pufferkapazität besitzt. Die Bezeichnung
pH-Optimum folgt jedoch nicht der Logik der deutschen Sprache.) Jede Verschiebung der
Pufferzusammensetzung, z. B. durch Belastung mit starker Säure, verringert die Pufferkapazität, was Sie im Experiment überprüfen sollen.
Aufgabe: Leiten Sie aus der Allgemeinen Puffergleichung ab, wie groß der pH-Wert des pHOptimums ist!
2.2.
pH-Messung an Pufferlösungen
2.2.1. Untersuchung der HCl-Belastbarkeit eines Acetatpuffers – Bestimmung von Pufferkapazitäten
Von einem Acetatpuffer unbekannter Gesamtkonzentration aber definiertem Verhältnis seiner
Pufferkomponenten [H3C-COOH] : [H3C-COO–] = 1, d. h. ausgehend vom pH-Optimum,
untersuchen Sie die HCl-Belastbarkeit, indem Sie diese Acetatpufferlösung mit dem gleichen
Volumen Salzsäure verschiedener Konzentrationen mischen, den pH-Wert messen und aus der
erhaltenen Kurve Pufferkapazitäten bei drei pH-Werten bestimmen. Dabei werden alle
Volumina mit 10 ml-Messzylindern abgemessen. Man mische dazu 10 ml der ausstehenden
Acetatpufferlösung 1:1 zuerst mit 10 ml dest. Wasser ([HCl] = 0 M). Von dieser Mischung
(Verdünnung) ist der pH-Wert zu messen.
Aufgaben: Welchen pH-Wert dieser Acetatpufferlösung 1:1 hätten Sie vor dem Verdünnen
gemessen? Begründen Sie Ihre Aussage mit der Allgemeinen Puffergleichung! Was ändert
sich, wenn Sie einen Puffer verdünnen?
Dieser Versuch ist mit 0,02 M; 0,04 M; 0,06 M; 0,08 M; 0,12 M und 0,16 M HCl anstelle des
dest. Wassers zu wiederholen. Dabei ist zu beachten, dass die Konzentration der Säure durch
den Puffer (Zugabe des gleichen Volumens Pufferlösung) im Gemisch jeweils halbiert wird!
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
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Die pH-Werte der gepufferten Salzsäuren sind mit den pH-Werten der ungepufferten Säuren
(Aufgabe 1.3.2.!) zu vergleichen, indem Sie beide zusammen als Kurven pH = f([HCl]) in
einem Diagramm darstellen. Aus dieser Kurve der Acetat-gepufferten Salzsäuren sind drei
Pufferkapazitäten des Acetatpuffers gegen HCl zu ermitteln:
a) ausgehend vom pH-Optimum,
b) ausgehend vom pH = 4,
c) ausgehend vom pH = 3,5!
Diskutieren Sie die erhaltenen Werte der Pufferkapazität!
Aufgaben: Wie ist die Pufferkapazität definiert? Wovon ist die Kapazität eines Puffers
abhängig? Welcher Punkt der Pufferkurve wird als pH-Optimum bezeichnet?
2.2.2. Herstellung von Glycinpuffern verschiedener Zusammensetzung – Aufnahme der
Pufferkurve für Glycin
Sowohl der saure als auch der basische Glycinpuffer sind durch Mischung einer 0,1 M
Glycinlösung mit Salzsäure bzw. Natronlauge in verschiedenen Zusammensetzungen der
Pufferkomponenten [A–] : [HA] herzustellen, wobei [A–] + [HA] = 0,05 M sein soll, also die
gleiche Gesamtkonzentration für jeden Puffer erreicht wird. Das Auftragen der gemessenen
pH-Werte über der Konzentration der Pufferkomponenten ergibt die Pufferkurve für Glycin.
Um die Volumina der Lösungen exakt abzumessen, verwenden Sie Volumenfeinmessgeräte,
konkret eine 10 ml Vollpipette für die 0,1 M Glycinlösung. Für das dest. Wasser, die Salzsäure
bzw. Natronlauge werden Büretten benutzt. Informieren Sie sich deshalb auf den Seiten 37
und 38 im Versuch 3 über den Umgang mit Volumenfeinmessgeräten!
Zur Herstellung der Glycinpuffer pipettieren Sie in saubere und trockene Messgefäße
(nummerierte 25 ml Bechergläser 1 bis 9) je 10 ml einer 0,1 M Glycinlösung. Diese Lösungen
werden aus Büretten entsprechend nachstehender Messwertetabelle mit 0,1 M Salzsäure bzw.
Natronlauge und dest. Wasser versetzt, so dass das Volumen jeder Probe 20 ml beträgt:
Puffer
Probe
Volumen (0,1 M HCl) / ml
Volumen (0,1 M NaOH) / ml
Volumen (dest. H2O) / ml
1
10
0
0
Saurer Glycinpuffer
2
3
4
9
5
1
0
0
0
1
5
9
5
0
0
10
Basischer Glycinpuffer
6
7
8
9
0
0
0
0
1
5
9
10
9
5
1
0
gemessener pH-Wert
Rühren Sie jede Probe mit einem abgespülten trockenen Glasstab um und messen Sie deren
pH-Wert. Hinweis: Teilen Sie sich die Herstellung der Glycinpuffer sinnvoll am Versuchstand
auf: Eine Gruppe mischt z. B. die Proben für den sauren, eine andere die für den basischen
24
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
Puffer. Es ist gestattet, die Probelösungen zwischen den Gruppen für die Messung
auszutauschen, jedoch nicht gestattet ist die bloße Übernahme von Messwerten, d. h., dass
jede Gruppe selbst misst! Achtung: Beachten Sie, dass Sie erst unmittelbar vor der
Messung der basischen Glycinpufferproben 6 bis 9 die Steilheit Ihres pH-Messgerätes
TM 35, wie unter 1.2. beschrieben, für den alkalischen Bereich eichen müssen!
Die Messwerte sind in die Messwertetabelle (s. o.) einzutragen und als Pufferkurve des
Glycins in folgendem Diagramm mit linearem konzentrationsproportionalem Abszissenmaßstab darzustellen, wobei die wichtigen Werte (pHI, pKS1, pKS2) hervorzuheben und zu
kennzeichnen sind:
pH
10
5
0
0,05
[Glycin-Zwitterion] / mol·l–1
0,05
0
[Glycin-Zwitterion] / mol·l–1
0
[Glycin-Kation] / mol·l–1
0,05
[Glycin-Anion] / mol·l–1
Theorie des Glycinpuffers:
Glycin, Aminoessigsäure H2N-CH2-COOH, ist die einfachste proteinogene (eiweißbildende)
Aminosäure und wie alle Aminosäuren ein BRÖNSTEDT-Ampholyt, da sie über eine
Säurefunktion und eine Basefunktion verfügt. In wässrigen Lösungen liegt sie jedoch nicht in
der Konstitution der Aminoessigsäure vor, sondern als Zwitterion (ein intramolekulares
„Ammoniumacetat“ s. a. Folie M7/10 bzw. Bio 59). Wässrige Lösungen (Messprobe 5), in
denen nur das Zwitterion vorliegt, haben einen pH-Wert, den man nach dem Verhalten des
Ions bei der Elektrophorese als isoelektrischen Punkt pHI bezeichnet und der für Glycin
theoretisch 6,1 beträgt. (Elektrophorese ist die Trennung von Aminosäuren aufgrund ihres pHabhängigen Wanderungsverhaltens im Gleichspannungsfeld.)
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
25
Ausschnitt der Vorlesungsfolien M7/10, Bio 59, Glycin R = H:
⇒
Titrationskurve hat 2 Pufferplateaus (s. Folien M2/16, Bio 59-IV)
pKS1 + pKS2
Isoelektrischer Punkt: pHI =
2
Das Glycin-Zwitterion ist gegenüber Basen eine einprotonige schwache Säure (pKS = pKS2),
der Zusatz einer äquivalenten Menge starker Base (Messprobe 9) wandelt es quantitativ in das
Glycin-Anion um. Gibt man zu Lösungen des Zwitterions jedoch eine äquivalente Menge
starker Säure (Messprobe 1), dann wandelt es sich quantitativ in das Glycin-Kation um, das
selbst eine zweiprotonige schwache Säure mit dem pKS1 ≈ 2,4 und dem pKS2 ≈ 9,8 ist. In den
Messproben 2 bis 4 des sauren Glycinpuffers liegen demnach als Pufferkomponenten das
Glycin-Kation und das Glycin-Zwitterion in verschiedenen Konzentrationsverhältnissen vor
und in den Messproben 6 bis 8 des basischen Glycinpuffers sind das Glycin-Zwitterion und das
Glycin-Anion die Pufferkomponenten.
Reagenzien
10-25%ige Salzsäure1) HCl:
Xi,
R: 36/37/38, S: 26,
1)
10-25%ige Essigsäure AcOH:
Xi,
R: 36/38,
S: 26,
1)
0,5-2%ige Natronlauge NaOH: Xi,
R: 36/38,
S: 26,
2)
Natriumphosphat Na3PO4 · 12 H2O: Xi, R: 36/38
1)
Niedrigster in der Gefahrstoffliste noch eingestufter Konzentrationsbereich, die im Versuch
verwendete Konzentration liegt noch wesentlich darunter!
2)
Nur der Feststoff ist als Gefahrstoff eingestuft, für die im Versuch verwendete stark
verdünnte Lösung existiert keine Gefahrstoffeinstufung.
Entsorgung: Alle Lösungen außer den Eichlösungen in das Abwasser!
26
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
Protokoll
Datum
Name
Versuch 2: pH-Messung - Puffersysteme
1.3. pH-Messaufgaben an Säure- und Salzlösungen
1.3.1. a) destilliertes Wasser:
b) Leitungswasser:
Gleichung: (Erklärung des pH-Wertes für dest. Wasser)
1.3.2. pH-Wert-Messung und pH-Berechnung von verdünnten Salzsäuren
pH von 0,08 M HCl
berechnet:
gemessen:
pH von 0,06 M HCl
berechnet:
gemessen:
pH von 0,04 M HCl
berechnet:
gemessen:
pH von 0,03 M HCl
berechnet:
gemessen:
pH von 0,02 M HCl
berechnet:
gemessen:
pH von 0,01 M HCl
berechnet:
gemessen:
graphische Darstellung: pH-Werte über [HCl] auftragen (mit Punkt für [HCl] = 0 mol·l–1)
1.3.3. pH-Wert der 0,1 mol·l–1 Lösung des unbekannten Natriumphosphates
berechnete pH-Werte: 0,1 M NaH2PO4 / 0,1 M Na2HPO4 / 0,1 M Na3PO4
gemessener pH-Wert:
Phosphat identifiziert als:
Der gemessene pH-Wert ist mittels der Hydrolyse-Gleichungen für das identifizierte Phosphat
kurz zu erläutern!
2.2.1. HCl-Belastbarkeit eines Acetatpuffers 1:1 – Bestimmung von Pufferkapazitäten
Mischung von 10 ml 1:1-Acetatpuffer mit 10 ml Salzsäure verschiedener Konzentration
[HCl] in der Mischung / mol·l–
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,06
0,08
1
pH-Wert der Mischung
Graphische Darstellung in einem Diagramm mit den unter 1.3.2. gemessenen Werten
Bestimmung der Pufferkapazität gegen HCl aus der Kurve der gepufferten Salzsäuren:
a) ausgehend vom pH-Optimum:
b) ausgehend vom pH = 4:
c) ausgehend vom pH = 3,5:
Kurze Diskussion der Grafiken und der Werte!
2.2.2. Pufferkurve des Glycinpuffers
Messwerttabelle; Diagramm (s. o.)
Ermittelte Werte: pKS(1) =
pKS(2) =
pHI =
Versuch 2: pH-Messung – Puffersysteme
27
Weitere Aufgaben zur Vorbereitung:
Wie ist der pKS-Wert definiert und wofür ist er ein Maß?
Ein aus Natriumacetat und Essigsäure bestehender Puffer wird a) mit etwas Salzsäure, b) mit
etwas Natronlauge versetzt. Erklären Sie, warum sich in beiden Fällen der pH-Wert des Puffers
kaum ändert! Erklären Sie die Pufferwirkung einer Aminosäure am Beispiel des Glycins! In
welchen Konzentrationsverhältnissen und in welchen Absolutkonzentrationen liegen die
Glycin-Ionen in den Proben 1 bis 9 vor? Diskutieren Sie die Zusammenhänge von Pufferkurve
und Titrationskurve am Beispiel des Glycins! Welche AS-Codes hat Glycin?
Was ist eine basische und was eine saure Aminosäure (je ein Beispiel mit Name,
Konstitutionsformel und AS-Code nennen)? Erläutern Sie das Säure-Base-Verhalten dieser
Aminosäuren exakt (Gestalt der Pufferkurve, Lage des pHI)!
Wie viele praktisch nutzbare Pufferplateaus hat die Pufferkurve der Phosphorsäure?
Informieren Sie sich über das Messprinzip und die Vorteile der Glaselektrode zur pH-Messung!
Übungsaufgaben zur pH-Berechnung:
1.) Geben Sie die pH-Werte für folgende Lösungen an: 0,1 M HCl, 0,001 M HCl, 0,1 M
H2SO4, 0,1 N H2SO4, 0,1 M NaOH, 0,04 M Ba(OH)2 (M = molar = mol·l–1, N = normal =
val·l–1 = mol·l–1 Äquivalentkonzentration)!
2.) Berechnen Sie den pH-Wert für eine 0,01 M Ammoniaklösung, pKB (NH3) = 4,8!
3.) Berechnen Sie den pH-Wert für eine 0,01 M Kohlensäure, pKS (H2CO3) = 6,4!
4.) Berechnen Sie den pH-Wert einer 0,1 M Sodalösung (Soda ist Natriumcarbonat Na2CO3),
pKS (HCO3–) = 10,4!
5.) Welchen pH-Wert hat eine Natriumhydrogencarbonatlösung [NaHCO3] = 0,02 mol·l–1?
Welche Stoffmenge H2SO4 muß man 1 l dieser Lösung zusetzen, bis sie exakt neutral ist?
Vereinfachende Annahmen: a) H2SO4-Zusatz ändert nicht das Lösungsvolumen; b) Der
H2SO4-Zusatz setzt kein CO2 aus der Lösung in die Gasphase frei. {pKS (H2CO3) = 6,4}
6.) Wie groß ist die Stoffmenge an Hydroniumionen (vBlut im Kreislauf ≈ 6 l), die den Blut-pHWert von der Obergrenze 7,42 zur Untergrenze 7,38 senken würde, wären im Blut keine
Puffer?