Pufferung¶

Hilfsmittel

• Der pH in Blut muss in einem engen Bereich um pH 7.4 liegen - pH 7.35 bis 7.45. Daüber und darunter zeigen sich deutliche Symptome (zu tief: Übelkeit, Hyperventilation und schwere Atmung, Kraftlosigkeit, Bewusstseinstörungen bis Koma und zentrale Atemlähmung, Herzrythmusstörungen bis Herzstillstand, über 7.5: Muskelkrämpfe bis Tetanie, Arrythmien bis , Bewusstseinstörungen bis Koma, Respiratorischer Stillstand (Hypoventilation, reduzierter Atemantrieb: Körper versucht CO₂ zurückzuhalten) unter 7.1 und über 7.7 lebensbedrohlich)
• Ohne Pufferung: im BG 500 mL hohe Form wird deionisiertes Wasser mit allenfalls sehr wenig Leitungswasser mit Universalindikator versetzt. Mit dem Glasstab wird umgerührt. Nun wird der feuchte Glasstab (Tropfen abzwicken) in den Gasraum der Chemikalienflasche mit konzentrierter Salzsäure gesenkt und dann erneut im GB umgerührt. Die Lösung wird rot. Fazit: extrem wenige HCl reichen bereits, um den pH umschlagen zu lassen. Kleinste Mengen an Essiggurken müssten tödlich sein.
• 4-5 Polylöffel NaHCO₃ werden im Erlenmeyer in etwas deionisiertem Wasser gelöst, mit tüchtig Universalindikator versetzt und auf die zwei mittleren BG verteilt.
• Nun wird der Glasstabtrick wiederholt – diesmal keine Verfärbung.
• Ein Tropfen konz HCL (conc) wird zugegeben (Dem Proband werden 10 Essiggurken verfüttert) - es bleibt neutral.
• Mehr HCl ergibt ganz wenig Verfärbung - offenbar erträgt dieses "Blut" enorm viel mehr Säure
• Analoge Pufferung gegen Basenzugabe, wenn auch weniger stark.

• 3 Teelöffel Ascorbinsäure (Vitamin C) in 3 dl Wasser lösen (in beschriftetem Pappbecher "Ascorbinsäure" mit Kaffeelöffel). Bei einer 25%-Lösung sollte der pH rechnerisch um 2.0 liegen, ist aber normalerweise etwas höher.
• Eine Salzsäure mit etwa demselben pH wie die Ascorbinsäurelösung herstellen (ebenfalls lebensmittelecht, in beschriftetem Pappbecher "Salzsäure" mit Kaffeelöffel). Der pH darf auch etwas tiefer liegen (bis vielleicht 0.3 Einheiten), aber nicht höher. Um eine 10% HCl auf pH 2.0 zu bringen, müsste man 1.04 mL HCl 10% auf total 300 mL verdünnen. (für pH 2.2 müsste man 0.66 mL HCl 10% auf total 300 mL verdünnen).
  Salzsäure 0.1 M müsste man für pH 2 1:10 verdünnen, für pH 2.2: 10 mL HCl 0.1 M mit 150 mL Wasser verdünnen.
• 1 Klassensatz Kaffeelöffel zum Degustieren
• Jeder probiert zuerst Salzsäure (nimmt mit dem Löffel aus dem Pappbecher etwas auf seinen eigenen Löffel und probiert von dort)
• Dann probiert jeder die Ascorbinsäurelösung mit dem Auftrag, vorherzusagen, welcher pH höher ist.
• pH wird gemeinsam gemessen

Vitamin C (Ascorbinsäure):

• M = 176.12 g/mol
• pK_S1 = 4.17
• pK_S2 = 11.57

Löslichkeit in Ascorbinsäure in Wasser:

• ca. 80% w/w bei 100°C
• ca. 40% w/w bei 45°C
• ca. 25% bei Raumtemperatur

Durchführung

• Die beiden Lösungen werden mit einem Kaffeelöffel versetzt. Die SuS löffenl sich auf ihren eigenen Löffel zuerst HCl(aq), dann von der Vitamin C-Lösung und überlegen sich, welche Lösung den tieferen pH aufweisen sollte.
• Die Messung zeigt, dass beide pH-Werte etwa gleich sind, obwohl die Vitamin C -Lösung sehr viel saurer schmeckt.

Experiment: Eine wässrige Salzsäure-Lösung und eine wässrige Lösung von Vitamin C (Ascorbinsäure) weisen beide den pH 2.4 auf. Trotzdem schmeckt die Vitamin C-Lösung viel saurer als die Salzsäure-Lösung.

Erklärung:

Im Gleichgewicht liegt in der Salzsäurelösung praktisch kein HCl mehr vor. Gelangt diese nun in den Mund, so reagieren die H₃O⁺-Ionen mit potentiellen Basen im der Schleimhaut weg, bevor sie bei den Säure-Rezeptoren ankommen (d.h. nicht nur Blut, sondern auch Speichel und überhaupt alle Körperflüssigkeiten sind gepuffert!). Im Fall der Salzsäurelösung bleiben erreichen auf diese Weise nur sehr wenige H₃O⁺-Ionen den Rezeptor und die Lösung schmeckt nur schwach sauer. Da Vitamin C im Gegensatz zu HCl eine schwache Säure ist, liegt in der Vitamin C-Lösung im Gleichgewicht immer noch viel Vitamin C vor. (denn Vitamin C gibt als schwache Säure nur einen kleinen Teil seiner H⁺ an das Wasser ab, im Gleichgewicht liegt also noch viel potentielle Säure vor). Auch aus der Vitamin-C-Lösung reagieren im Speichel die H₃O⁺-Ionen weg. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht HVitC + H₂O ⇄ VitC⁻ + H₃O⁺ gemäss Prinzip von Le Chatelier aber nach rechts. Die meisten wegreagierten H₃O⁺-Ionen werden somit ersetzt, die H₃O⁺-Konzentration sinkt kaum und die Lösung schmeckt stark sauer. (Vitamin C, selber eine Puffersäure, widersetzt sich also der Pufferung durch den Speichel).

• 0.1 M Essigsäure 20 mL in kleinem Erlenmeyer mit etwas deion Wasser verdünnen und pH-Messonde eintauchen. So einstellen, dass auf Tastendruck eine Einzelmessung hinzugefügt wird. Evtl ist Eichung nötwendig.
• Mit Socorex 1 mL wird portionenweise NaOH 0.1 M hinzugefügt. Kurve fortlaufend aufzeichnen und SuS sollen herausfinden, wo die Pufferung am besten ist.
• Anhand der Kurve dann erklären weshalb Pufferung am besten, wenn gleich viel Pusäure wie Pubase.

Ist bei Salze/Mehratomige Ionen untergebracht

Experiment: Auf Hellraumprojektor in Kristallisierschale Leicht saure Indikatorlösung Bromthymolblau + Phenolphthalein mit Ammoniak beblasen, Wirbel ergeben Oberflächenstruktur, mit HCl beblasen, macht Struktur rückgängig. NaOH-Plätzchen zugeben, Farbenspiel beobachten.

• In Eppendorftubes 1.5 werden je 1.0 mL von jedem Puffer pipettiert.
• Phenolphthalein-Indikator-Lösung mit Socorex 100 μL zugeben (50 μL)
• Pufferlösungen pH 4, pH 6, pH 7, pH 8, pH 9, pH 10, pH 11, pH 12 Für den Alizarin-Versuch darf kein Borax-Puffer dabei sein!
• Ein grosses Photospektrometer (zum Aufnehmen von Spektren)
• Schachtel mit Küvetten

Pro Gruppe. - BG mit Eppendorftubes 1.5 mL - Eppendorf-Ständer - Eppendorfpipette 1 mL (zum Pipettieren des Puffers und Befüllen der Küvetten) - Eppendorfpipette 100 μL (zum Zupipettieren des Indikators) - Photospektrometer (Vernier)

• In den Eppendorftubes werden alle Puffer mit genau gleich viel Phenolphthalein-Indikatorlösung versetzt (zuert bei hohem pH ausprobieren, welche Menge eine sichtbare, aber nicht zu dichte Farbe ergibt).
• Von einem gefärbten Gemisch wird ein Spektrum aufgenommen (ganzes sichtbares Spektrum) und entschieden, bei welcher Wellenlänge gemessen wird.
• Bei dieser Wellenlänge alle Proben messen und Kurve darstellen.
• Mit Hilfe der Kurve kann man den pH interpolieren, bei dem die Hälfte der Teilchen protoniert und die andere deprotoniert ist. Dieser pH entspricht dem pK_S.