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Puffersysteme im Blut

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Die Autor*innen
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André Otto
Puffersysteme im Blut
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Puffersysteme im Blut Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Puffersysteme im Blut kannst du es wiederholen und üben.
  • Formuliere Aussagen über die Regelung des pH-Wertes einer Lösung.

    Tipps

    Nur in Science-Fiction-Stories können Stoffe unbegrenzt reagieren.

    Es gibt Stoffe, die sowohl als Säure als auch Base reagieren können.

    Lösung

    Der pH-Wert eines stark sauren oder stark basischen Mediums wird stabilisiert. Falsch. Für solche pH-Bereiche sind Puffer nicht geeignet..

    Puffer werden vorzugsweise im pH-Bereich von 5 bis 9 eingesetzt. Richtig. Ausnahme gibt es natürlich auch.

    Die pH-Regelung erfolgt für beliebige Mengen zugegebener starker Säuren oder Basen. Falsch, denn jeder Puffer hat seine Kapazität.

    Ein Puffer reagiert mit Säuren wie Basen. Richtig, denn dafür ist der Puffer doch da.

    Der pH-Wert eines Puffers bleibt stets exakt gleich. Falsch. Die Stabilisierung erfolgt nur innerhalb eines gewissen Bereiches.

    Manche Puffer enthalten nur ein wirksames Teilchen. Richtig. Solche Teilchen nennt man Ampholyte.

  • Gib die Reaktionsgleichungen für die Blutpuffer an.

    Tipps

    Kohlenstoffdioxid ergibt zusammen mit Wasser eine Säure.

    Kohlensäure dissoziiert wenig. Dadurch wird die Pufferwirkung erreicht.

    Hämoglobin ist protonierbar.

    Durch Protonenübergang stehen zwei Säurerest-Ionen der Phosphorsäure zweier benachbarter Dissoziationsstufen im Gleichgewicht.

    Lösung

    1. Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer

    $CO_2$ + 2 $H_2O$ $\rightleftharpoons$ $H_2CO_3$ + $H_2O$

    Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser zur unbeständigen Kohlensäure.

    $\rightleftharpoons$ $H_3O^\oplus$ + ${HCO_3}^\ominus$

    Im wässrigen Milieu dissoziiert Kohlensäure unter Bildung von Oxonium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen.

    2. Hämoglobin-Puffer

    $Hb\!\cdot\!H^\oplus$ + $H_2O$ $\rightleftharpoons$ $Hb$ + $H_3O^\oplus$

    Protoniertes Hämoglobin reagiert mit Wasser zu freiem Hämoglobin und Oxonium-Ionen.

    3. Phosphat-Puffer

    ${H_2PO_4}^\ominus$ + $H_2O$ $\rightleftharpoons$ $H_3O^\oplus$ + ${HPO_4}^{2\ominus}$

    Ein Dihydrogenphosphat-Ion reagiert mit einem Wassermolekül zu einem Oxonium-Ion und einem Hydrogenphosphat-Ion.

  • Erläutere die Pufferwirkung des Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffers.

    Tipps

    Das Säurerest - Ion einer schwachen Säure reagiert mit Oxonium - Ionen zu eben dieser Säure.

    Die Moleküle einer schwachen Säure sind bei Bedarf Protonen - Lieferanten.

    Säuren werden durch niedrige pH - Werte angezeigt, Basen durch hohe pH - Werte.

    Lösung

    1. Das System

    Der Puffer besteht aus einer schwachen Säure und einem leicht löslichen Salz dieser Säure.

    2. Die Dissoziationen

    Kohlensäure:

    $H_2CO_3$ + $H_2O$ $\rightleftharpoons$ $H_3O^\oplus$ + ${HCO_3}^\ominus$

    Die Säure dissoziiert kaum. Das Dissoziationsgleichgewicht ist praktisch vollständig nach links verschoben.

    Natriumhydrogencarbonat:

    $NaHCO_3$ $\rightleftharpoons$ $Na^\oplus$ + ${HCO_3}^\ominus$

    Das Dissoziationsgleichgewicht ist praktisch vollständig nach rechts verschoben.

    3. Stabilität gegenüber Säuren

    $H_3O^\oplus$ + ${HCO_3}^\ominus$ $\longrightarrow$ $H_2CO_3$ + $H_2O$

    Der pH-Wert wird durch die Säure nicht vermindert.

    4. Stabilität gegenüber Basen

    $H_2CO_3$ + $OH^\ominus$ $\longrightarrow$ $H_2O$ + ${HCO_3}^\ominus$

    Der pH-Wert wird durch die Base nicht erhöht.

    Anmerkung: Die im Video beschriebene Reaktion zwischen dem Hydrogencarbonat-Ion und dem Hydroxid-Ion ist wegen der gleichen Ladung der beteiligten Teilchen weniger effektiv.

  • Ermittle eine Bedingung für die Einstellung eines bestimmten pH-Wertes.

    Tipps

    Die benutzte Gleichung nennt man auch Puffergleichung.

    Kohlenstoffdioxid fungiert als Säure.

    Das Hydrogencarbonat-Ion ist eine Brönsted-Base.

    Lösung

    1. Die Gleichung

    Man benutzt die Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

    $pH$ = $pK_s$ + lg[$c(Base)$/$c(Säure)$].

    2. Umstellung nach der gesuchten Größe

    $pH$ = $pK_s$ + lg[$c({HCO_3}^\ominus)$/$c(CO_2)$]

    Das gesuchte Verhältnis ist $q$:

    $pH$ = $pK_s$ + lg[$q$].

    Daraus erhalten wir den dekadischen Logarithmus der gesuchten Größe:

    lg[$q$] = $pH$ - $pK_s$.

    3. Rechnung

    lg[$q$] = 7 - 6,1

    q = 10^{0,9}

    Gerundet auf Ganze erhält man:

    $c(Base)$}/{$c(Säure)$ = 8.

  • Bestimme die Anteile der Puffer an der pH-Regulierung des Blutes.

    Tipps

    Der häufigste Anteil wird durch die beste Zugänglichkeit der Komponenten bestimmt.

    Phosphorsäure ist in gewissen Mengen ungiftig. Große Mengen sind mit Sicherheit zu vermeiden.

    Lösung

    • Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer - mehr als die Hälfte
    • Hämoglobin-Puffer - etwa ein Drittel
    • Proteinat-Puffer - etwa ein Zehntel
    • Phosphat-Puffer - weniger als ein Fünfzehntel
    Der Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer ist am einfachsten zu realisieren und stabilisiert im neutralnahen Bereich.

    Der Hämoglobin-Puffer bietet sich durch den Zugang zum Hämoglobin im Blut an.

    Proteine bieten sich durch gute Zugänglichkeit und amphotere Eigenschaften für die Pufferung an.

    Der Phosphatpuffer wirkt im Bereich zwischen pH = 6 bis pH = 8.

  • Erkläre die Pufferwirkung einer Aminosäure.

    Tipps

    Aminosäuren sind Ampholyte.

    Die Teilchen von Aminosäuren können sowohl mit Oxonium-Ionen als auch mit Hydroxid-Ionen reagieren.

    Lösung

    1. Die Modellverbindung

    Das abgebildete Molekül ist die Formel für Glycin. Im neutralen pH-Bereich liegt das Teilchen als Zwitter-Ion vor:

    $H_3N^\oplus-CH_2-COO^\ominus$.

    2. Neutrales Medium

    Bei pH-Werten um 7 reichen die Konzentrationen der Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen nicht aus, um mit dem Aminosäureteilchen zu reagieren. Der größte Teil davon bleibt erhalten.

    3. Zugabe von Säure

    Bei Zufuhr von Oxonium-Ionen findet eine Reaktion mit den Aminosäureteilchen statt:

    $H_3O^\oplus$ + $H_3N^\oplus-CH_2-COO^\ominus$ $\longrightarrow$ $H_3N^\oplus-CH_2-COOH$ + $H_2O$.

    Es kommt praktisch zu keiner Änderung des pH-Wertes in Richtung kleinerer Werte.

    4. Zugabe von Base

    Bei Zugabe von Hydroxid-Ionen findet eine Reaktion mit den Aminosäureteilchen statt:

    $OH^\ominus$ + $H_3N^\oplus-CH_2-COO^\ominus$ $\longrightarrow$ $H_2N-CH_2-COO^\ominus$ + $H_2O$.

    Es kommt zu kaum einer Änderung des pH-Wertes in Richtung größerer Werte.