Puffer Flashcards
Was sind Puffer, woraus setzen sie sich zusammen und wie funktionieren sie?
Puffer sind Stoffgemische, die dafür sorgen, dass sich der pH-Wert einer wässrigen Lösung bei weiterer Zugabe einer Säure oder Base kaum ändert.
Puffer bestehen selbst immer aus einer schwachen Säure und ihrer schwachen konjugierten Base
Die Wirkungsweise von Puffern besteht darin, dass sie bei Zugabe einer starken Säure oder Base die Protonen der Säure aufnehmen bzw. ihre Protonen an die Base abgeben, anstelle des Wassers, welches sonst die Protonen einer starken Säure aufnimmt bzw. ein Proton an eine starke Base abgibt.
Bei Zugabe einer Base, welche unbedingt ein H+ haben will, gibt also die Puffersäure lieber als Wasser ein H+ ab. Bei Zugabe einer Säure, nimmt die Pufferbase lieber das H+ auf als Wasser.
Erkläre die Wirkweise von Puffern anhand des chemischen Gleichgewichts.
Puffersäure und Pufferbase stehen in einem chemischen Gleichgewicht. Kommen H+-Ionen dazu, findet die Reaktion von Pufferbase zu Puffersäure statt, um diesem „Zwang“ zu entgehen. Kommt eine starke Base hinzu, dann gehen H+-Ionen weg, es findet zum Ausgleich die Reaktion von Puffersäure zu Pufferbase verstärkt statt
Wie lautet die Henderson-Hasselbalch-Gleichung? Wofür wird sie genutzt und wann gilt sie?
pH = pK(s) + lg([A-] / [HA])
Sie gibt einen Zusammenhang zwischen dem pH-Wert, dem pK(s)-Wert der Puffersäure und dem Verhältnis von Puffersäure zu Pufferbase an. Sie gilt also nur für konjugierte Paare von schwacher Säure und schwacher Base.
Nenne das wichtigste Puffersystem. Woraus besteht es?
Essigsäure-Acetat-Puffer.
Wie der Name verrät, besteht er aus Essigsäure und seiner konjugierten Base, Acetat.
Wann liegt die größte Pufferkapazität vor?
Die größte Pufferkapazität eines Puffersystems liegt vor, wenn:
pH = pK(s).
Denn wenn der pH-Wert dem pK(s)-Wert der Puffersäure entspricht, muss nach der Henderson-Hasselbalch-Gleichung das Verhältnis von Puffersäure zu Pufferbase 1:1 sein und damit kann der Puffer den breitesten Bereich abpuffern.
Warum ist ein Essigsäure-Acetat-Puffer ungeeignet für das arterielle Blut im menschlichen Körper? Was nutzt der Körper stattdessen?
Weil vom Essigsäure-Acetat-Puffer die höchste Pufferkapazität im pH-Bereich von 4,75 liegt, eignet er sich nicht sehr gut für den menschlichen Körper, da im Blut ein pH-Wert von 7,4 herrschen muss.
Der Körper nutzt Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer, Proteinpuffer und Phosphatpuffer.
Worum geht es bei der Titration?
Die Säure-Base-Titration ist ein Verfahren, um von einer Säure- oder Basenlösung unbekannter Konzentration diese durch Zugabe von starker Säure oder starker Base zu bestimmen.
Bei der Titration gibt es den Äquivalenzpunkt. Was lässt sich aus diesem ableiten?
Am Äquivalenzpunkt ist die Änderungsrate des pH-Werts maximal. Dann gilt:
n(Säure vor Titration) = n(hinzugegebene Base)
Die Säure wurde „neutralisiert“.
Welche Besonderheit gibt es bei der Titration, wenn die entsprechende Säure eine schwache ist? Erkläre dies am Beispiel von Essigsäure.
Hier steigt der pH-Wert in der Titrationskurve ganz zu Beginn an, dann aber nur sehr langsam. Das liegt daran, dass genau hier die Pufferwirkung von Essigsäure einsetzt.
Für jedes weitere zugegebene NaOH reagiert eher die Essigsäure zu Acetat, als dass sich OH(-)-Ionen bilden. Am Punkt des geringsten Anstiegs haben wir den Halbäquivalenzpunkt. Hier entspricht die zugegebene Stoffmenge der Base genau der Hälfte der ursprünglich vorhanden Stoffmenge der Säure. An diesem Punkt hat sich damit auch die Hälfte der Säure zum Säureanion umgewandelt. Essigsäure und Acetat liegen hier also jetzt im Verhältnis 1:1 vor und damit im Bereich ihrer größten Pufferkapazität.
Am Halbäquivalenzpunkt ist also die größte Pufferkapazität, nach links und rechts wird der pH-Wert über den breitesten Bereich konstant gehalten. Weil im Halbäquivalenzpunkt die verbliebene schwache Säure und gebildete konjugierte Base im Verhältnis 1:1 vorliegen, entspricht der pH-Wert hier nach der Henderson-Hasselbalch-Gleichung auch genau dem pKS-Wert der Essigsäure.
Wird immer mehr Natronlauge hinzugegeben, ist irgendwann alle Essigsäure zu Acetat umgewandelt worden, der pH-Wert steigt wieder schneller an, weil kein Puffer mehr vorhanden ist. Auch hier zeigt der Äquivalenzpunkt die vollständige Neutralisation an.
Wie lässt sich eine Pufferlösung durch Titration herstellen?
Pufferlösung kann man aus einer schwachen Säure durch Titration mit NaOH herstellen, indem man so viel Natronlauge hinzugibt, dass die Stoffmenge die Hälfte der ursprünglichen Stoffmenge der schwachen Säure entspricht (für eine ideale Pufferlösung mit dem Verhältnis Säure : Base 1:1).
Wie läuft die Titration bei mehrprotonigen Säuren ab? Erkläre dies am Beispiel von Phosphorsäure.
Am Anfang liegt fast ausschließlich Phosphorsäure (H3PO4) vor. Bei Zugabe von Natronlauge wirkt die Phosphorsäure aber als Puffer und wandelt sich immer mehr zu H2PO4(-) um. Am ersten Halbäquivalenzpunkt ist das Verhältnis von H3PO4 und H2PO4(-) gleich groß, hier ist die Pufferwirkung der beiden maximal.
Wird mehr Natronlauge hinzugegeben, wird H3PO4 aufgebraucht, es liegt fast nur noch H2PO4(-) vor. In diesem Bereich gibt es kaum Pufferwirkung. Solange, bis H2PO4(-) beginnt, wieder Protonen abzugeben.
Am Halbäquivalenzpunkt 2 ist die Pufferwirkung von H2PO4(-) und HPO4(2-) optimal, sie liegen im Verhältnis 1:1 vor. Wird noch mehr NaOH hinzugegeben, liegt fast nur noch HPO4(2-) vor.
Es folgt der letzte Halbäquivalenzpunkt bei dem HPO4(2-) und PO4(3-) im gleichen Verhältnis vorliegen.
Jede Säurestufe bei mehrprotonigen Säuren hat also ihren eigenen pK(s)-Wert. Das erste Proton wird immer leichter abgegeben als das nächste.
pK(s)1 ist also immer kleiner (und damit stärker) als pK(s)2, welcher wiederum kleiner ist als pK(s)3.
Wovon hängt die Säure-Base-Reaktion amphoterer Stoffe ab?
Die Bereitschaft amphoterer Stoffe, Protonen aufzunehmen oder abzugeben, hängt vom umgebenden pH-Wert ab.
Ist der pH-Wert sehr niedrig, die Konzentration von H3O+ also hoch, wird ein amphoterer Stoff (wie H2PO4-) eher Protonen aufnehmen, als welche abzugeben. Der amphotere Stoff wirkt als Base.
Ist der pH-Wert sehr hoch, gibt es also sehr wenig H3O+, gibt der amphotere Stoff eher sein Proton ab und wirkt als Säure.
Warum ist ein stabiler pH-Wert relevant für die Funktion von Proteinen wichtig?
Bei niedrigem pH-Wert, also Protonenüberschuss, wirken Aminosäuren als Base und lassen sich protonieren. Bei hohem pH-Wert, also Protonenmangel, wirken sie als Säure und geben ihre Protonen ab.
Durch Änderung des pH-Wertes ändert sich die Protonierung von Aminosäuren, wodurch sich die Ladung ändert und das hat Auswirkungen auf die intramolekularen Kräfte im Protein und führt zu einer Änderung der räumlichen Struktur (Denaturierung).
Was ist der isoelektrische Punkt?
Der pH-Wert, bei dem eine Aminosäure gleich viele positive wie negative Ladungen hat, also insgesamt elektrisch neutral ist, wird als isoelektrischer Punkt bezeichnet.
Bei diesem pH-Wert würde eine Aminosäure in einem elektrischen Feld nicht wandern. Der isoelektrische Punkt ist für jede Aminosäure unterschiedlich, da es auch saure oder basische Aminosäuren mit zusätzlichen Säuregruppen und Basengruppen gibt.
Was bezeichnet der Begriff Neutralisation? Beschreibe diese am Beispiel von Essigsäuretitration.
Eine Neutralisation ist die Reaktion von gleichen Mengen Säure und Base.
Bei der Neutralisation einer Säure wurde die gleiche Stoffmenge einer starken Base hinzugegeben. Bei der Neutralisation einer Base wurde die gleiche Stoffmenge starke Säure hinzugegeben.
Neutralisation bezieht sich also darauf, dass vorher vorhandene Säure oder Base nun weg ist (zur konjugierten Base bzw. Säure wurde), und nicht unbedingt, dass der pH-Wert bei 7 liegt!
Am Äquivalenzpunkt bei der Titration von Essigsäure wurde die Essigsäure neutralisiert, liegt also nur noch als Acetat vor, der pH-Wert ist hier aber ca. 9, da Acetat selbst basisch wirkt.
