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Transkript Pufferlösungen – Grundlagen

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt Pufferlösungen. Es gehört zur Reihe Säuren und Basen. Als Vorkenntnisse solltet Ihr solides Wissen über Säuren und Basen mitbringen. Ihr wisst, was eine Dissoziation ist. Die Begriffe Neutralisation und Protolyse sind Euch wohl bekannt. Die Ziele des Videos sind es, Euch grundlegende Kenntnisse über die Funktion von Pufferlösungen und ihre Wirkungsweise zu vermitteln. Das Video ist in 4 Abschnitte unterteilt: 1. Bedeutung 2. Puffersubstanzen 3. Puffergleichung 4. Pufferkapazität   1. Bedeutung Überall im menschlichen Organismus, wo Lebensfunktionen wirken, im Zytoplasma, im Blut und bei der Wirkung von Enzymen, kommt es auf eine pH-Stabilität an. Diese Stabilität wird durch sogenannte Puffer gewährleistet. Sie besitzen die Fähigkeit, durch Säuren und Basen ausgelöste pH-Stöße abzufangen und somit den pH-Wert kontant zu halten. 2. Puffersubstanzen Eine Pufferlösung hat die Eigenschaft, trotz Einwirkung einer Säure oder Einwirkung einer Base den pH-Wert ungefähr gleich zu halten. Ein Teil der Puffer sind die sogenannten Säurepuffer. Sie bestehen aus einer schwachen Säure und deren Salz. Ein Beispiel dafür ist das Essigsäure Natriumacetat-Gemisch. Ein weiterer Teil der Puffer sind die Base-Puffer. Diese bestehen aus einer schwachen Base und deren Salz. Ein Beispiel für so einen Puffer ist das Ammoniak Ammoniumchlorid-Gemisch. Sehr populär ist der Puffer, welcher aus Essigsäure und Natriumacetat besteht. Man nennt ihn kurz Acetat-Puffer. Wir werden noch sehen, dass er am effektivsten wirkt, wenn Essigsäure und Natriumacetat im Verhältnis 1:1 vorliegen. Wie wirkt dieser Puffer? Zum einen ist bekannt - und das ist Voraussetzung - dass Essigsäure eine schwache Säure ist. Das bedeutet, dass sie nur sehr schwach dissoziiert. Das bedeutet aber, dass im Acetatpuffer undissoziierte Essigsäure vorliegt. Natriumacetat hingegen dissoziiert in wässriger Lösung hervorragend. Das bedeutet aber, dass im Acetatpuffer Acetationen vorliegen. Die Mediziner und Biochemiker sprechen auch nur einfach von Acetat. Der Acetatpuffer besteht also aus Essigsäure und Acetat. Gibt man zum Acetatpuffer nun eine Säure, so reagieren die Hydroniumionen der Säure mit den Acetationen zu Essigsäureteilchen. Hier sieht man nun, dass es notwendig ist, dass es sich um eine schwache Säure handelt. Die Anionen einer starken Säure würden so nicht reagieren. Bei der Einwirkung einer Base auf den Acetatpuffer kommen die undissoziierten Essigsäuremoleküle ins Spiel. Sie reagieren mit den Hydroxidionen zu Acetationen, und Wasser wird frei. Der pH-Wert des Puffers bleibt nahezu unverändert. 3. Die Puffergleichung Essigsäure ist in wässriger Lösung einer schwachen Dissoziation unterzogen. Ein Essigsäuremolekül reagiert mit einem Wassermolekül zu einem Acetatanion und zu einem Hydroniumion. Nach dem Massenwirkungsgesetz ergibt sich die Säurekonstante als Quotient aus dem Produkt der Konzentrationen der Produkte und dem Produkt der Konzentrationen der Edukte. Die Konzentration des Wassers ist im Vergleich zu den anderen Konzentrationen groß. Daher geht sie mit in die Gleichgewichtskonstante ein. Durch äquivalente Umformung stellt man diese Gleichung nach der Konzentration der Hydroniumionen um. Wir setzen den negativen, dekadischen Logarithmus an, und erhalten den pH-Wert. Entsprechend ergibt sich der pKs-Wert, von dem der Logarithmus des Quotienten der Konzentration der Essigsäure und der Konzentration der Acetationen subtrahiert wird. Schließlich tauschen Zähler und Nenner im Logarithmus ihre Plätze, und wir erhalten: pH = pKs plus Logarithmus von Quotient aus Konzentration der Acetationen und Konzentration der Essigsäure. Diese Gleichung bezeichnet man als Puffergleichung. Ich möchte sie in verallgemeinerter Form aufschreiben: pH = pKs plus Logarithmus aus dem Quotienten der Konzentration der Anionen A- und der Konzentration der Säureteilchen HA. Man bezeichnet die Puffergleichung auch als Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Die Gleichung ist korrekt, wenn es sich bei HA um eine schwache Säure handelt. A-, das Anion, ist entsprechend die zur schwachen Säure konjugierte Base. Wenn die Konzentration der Anionen gleich der Konzentration der undissoziierten Säureteilchen ist, dann ist der pH-Wert gleich dem pKs-Wert. 4. Pufferkapazität Bei der Wirkung eines Puffers ist es wünschenswert, dass er möglichst viele Hydroniumionen bzw. Hydroxidionen aufnehmen kann, ohne seinen pH-Wert zu verändern. Wirksam ist der Puffer dann, wenn die Konzentration der konjugierten Base gleich der Konzentration der Säure HA ist. In diesem Fall ist die Pufferkapazität maximal. Als zweites ist der Puffer dann besonders wirksam, wenn die Konzentrationen von konjugierter Base und Säure besonders groß sind. Wird diese Bedingung erfüllt, weicht das Argument des Logarithmus nur wenig von 1 ab. Die Pufferkapazität wird maximal. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.  

Informationen zum Video
15 Kommentare
  1. 001

    Liebe May Britt ,
    generell sollte man einen Vortrag von 12 Minuten nicht überfrachten. Du könntest einen Handzettel (Handout) mit kurzer Gliederung deines Vortrags erstellen. Du musst nicht komplizierte Formelprogramme verwenden. Die Formeln kannst du sauber mit schwarzem Stift eintragen. Die Lehrerin/der Lehrer hilft dir bestimmt beim Kopieren in der Schule. Vergiss bitte nicht, die Blätter linksseitig zu lochen.
    1. Die Puffergleichung würde ich nur nennen. Wichtig ist, die Symbole und die entsprechenden Einheiten zu benennen. In der Schule und vor allem im Grundkurs gibt es nur die Konzentration und keine Aktivität!
    Die Puffergleichung kannst du im Handout herleiten.
    2. Beziehe dich auf die Bücher, die ihr in der Oberstufe in der Schule benutzt.
    Wenn du dich mit sofatutor vorbereitet hast und du kein Problem hast, das kund zu tun, kannst du auch die Videos angeben, die du dabei verwendet hast. Nur die wichtigsten (3 bis 5).
    Vielleicht so:
    André Otto, Die Henderson - Hasselbalch - Gleichung (Lernvideo), sofatutor (Online - Lernplatform), 04. 01. 2014.
    Wenn du den Vortrag noch nicht morgen halten musst, kannst du bei sofatutor nachfragen, wie eine korrekte Quellenangabe aussehen sollte.
    3. Eine Verbindung ist "sauer", weil sie "sauer" schmeckt. Und das machen die Protonen.
    Ein weiteres Argument wäre die Tatsache, dass Säuren mit unedlen Metallen unter Wasserstoffabgabe reagieren. Zwar gibt es auch Basen, die mit bestimmten unedlen Metallen (Aluminium) reagieren. Aber eben NICHT mit allen unedlen Metallen!
    Das Indikatorargument ist eigentlich schwach, denn es ist nicht eine Säure, weil es den Indikator verfärbt! Wir wissen, dass bestimmte Indikatoren durch Säuren verfärbt werden. Daher verwenden wir sie.
    Trotzdem solltest du die wichtigsten Indikatoren nennen, die Säuren anzeigen:
    Lackmus - rot
    Methylorange - orange
    Methylrot - rot
    Universalindikator - rot
    Alles Gute und viel Erfolg
    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als einem Jahr
  2. Default

    Lieber Andre Otto,
    Danke, jetzt ist mir schon vieles klarer! Ich habe mir mittlerweile auch die Reihe über Säuren allgemein angesehen. Nun verstehe ich schon etwas mehr :) Ich bin in einem Grundkurs und muss einen 12-Minütigen Vortrag über Indikatoren und Pufferlösungen halten. Da ich weiss, dass meine Klasse auch kaum Vorwissen über Säuren hat werde ich wohl auch Säuren erklären müssen. Ich weiss nicht, wie ich innerhalb von 12 Minuten all diese Themen verständlich erklären soll :0 Aber Sie helfen mir wirklich sehr! Vielen Dank!!!!
    Allerdings habe ich noch 3 Fragen an Sie:
    1. Meinen Sie, dass ich die Herleitung der Puffergleichung dabei auch erklären soll? Ich verstehe sie zwar aber ich stelle es mir schwer vor diese der Klasse bei zu bringen.
    2. Das kommt jetzt vielleicht komisch aber auf welche Quellen beziehen Sie sich? Können Sie mir evt. 1-2 Bücher oder ähnliches empfehlen?
    3. Ich habe in keinem Video eine Erklärung dafür gefunden, warum die Protonen eine Säure sauer machen. Können Sie mir das erklären oder ein geeignetes Video empfehlen?
    Vielen Dank noch einmal für die große Unterstützung. Ich weiss echt nicht, wie ich das ohne Ihre Hilfe schaffen sollte.
    Liebe Grüße,
    May-Britt

    Von May Britt Franzen, vor mehr als einem Jahr
  3. 001

    Hallo,
    auch darüber gibt es von mir ein Video.
    Um das zu verstehen, muss man sich mit dem Massenwirkungsgesetz befassen.
    In einer wässrigen Lösung bei Raumbedingungen und ausreichender Verdünnung dissoziiert Chlorwasserstoff so:
    HCl (eigentlich Doppelpfeil) H+ + Cl-.
    Man könnte auch mit H2O und H3O+ arbeiten, aber das kommt auf das Gleiche hinaus.
    Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion nennt man Säurekonstante Ks.
    Für Salzsäure HCl liegt sie bei etwa 1000000. Da das unbequem ist, hat man definiert
    pKs = -lg Ks
    Manchmal wird auch geschrieben:
    pKs = -log Ks
    Das ist der negative dekadische Logarithmus von Ks. Man kann ganz einfach von der Million die Nullen zählen und verpasst dem Ergebnis ein negatives Vorzeichen.
    Also:
    pKs = -6
    Wenn Essigsäure dissoziiert, so erhält man (gerundet):
    Ks = 0,00001
    und
    pKs = 5
    Je negativer die Zahl, um so stärker die Säure. Je positiver die Zahl, um so schwächer die Säure.
    Ein gesundes neues Jahr 2015!

    Von André Otto, vor mehr als einem Jahr
  4. Default

    Was ist dieser pks-Wert?

    Von May Britt Franzen, vor mehr als einem Jahr
  5. 001

    Das Wesen einer starken Säure besteht darin, dass in wässriger Lösung die Moleküle praktisch vollständig in Protonen und Anionen dissoziieren. Die Rückreaktion läuft praktisch nicht ab. Bei (sehr) schwachen Säuren ist es genau umgekehrt. Anderenfalls wären es keine (sehr) schwachen Säuren.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 2 Jahren
  1. Default

    Weswegen würden die Anionen einer starken Säure nicht so reagieren ? ( 3:30 )

    Von Ben1996, vor mehr als 2 Jahren
  2. Default

    Weswegen würden die Anionen einer starken Säure nicht so reagieren ? ( 3:30 )

    Von Ben1996, vor mehr als 2 Jahren
  3. 001

    1. Frage: Anwendung Logarithmengesetz.
    2. y = f(x) x ist Argument. Hier: Der Quotient der Konzentrationen.
    3. Zähler = Nenner ===> Argument = 1 ===> log = 0. Verändere ich den Zähler etwas, wird auch der Nenner nur etwas verändert. Die Abweichung von 1 ist gering. Säure und Base braucht man in gleicher Menge, da zu beiden Seiten gepuffert werden muss. Der strenge Beweis entfällt.

    Von André Otto, vor mehr als 3 Jahren
  4. Default

    Wieso ist die Pufferkapazität des Puffers Bei gleicher Konzentration von Base und Säure maximal?

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
  5. Default

    Und den Satz am Ende "wird das Argument erfüllt weicht das Argument des Logarythmus nur wenig von 1 ab"? Das Heißt in einfacher Sprache was?

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
  6. Default

    Hallo Herr Otto. Ab Minute 5:09 steht hinter MWG ganz reechts in der GLeichung [H3O+] = Ks mal [CH3 usw]. Dann nehmen sie in der Zeile dadrunter den negativen Logarithmus. Ich verstehe nicht wo das Multipliationszeichen hinter KS hin ist aus der Gleichung dadrüber. Da steht dann pH=Pks -lg[ und nicht mal [-lg].

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
  7. 001

    Möge es noch lange leuchten!
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 3 Jahren
  8. Default

    Ich liebe die Videos von dir ... alle so super verständlich.... studiere Biotechnologie im zweiten Semester und endlich geht mir in Chemie ein Licht auf !!! vielen Dank :)

    Von Nancy2705, vor mehr als 3 Jahren
  9. 001

    Wenn man das richtige Logarithmengesetz anwendet und das Vorzeichen verändert, geht das.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 4 Jahren
  10. Default

    Kann man Zähler und Nenner in der Puffergleichung einfach so umkehren?

    Von Cosmas1, vor fast 4 Jahren
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