Protokoll. Basismodul Chemie I, Praktikum: Säure-Base Gleichgewichte

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1 Protokoll Basismodul Chemie I, Praktikum: Säure-Base Gleichgewichte Veranstalter: Dr. Ulrich Neuert Jörg Mönnich () Betreuer: Carolin, Christian Versuchstag: Freitag,

2 Schwache Säuren und Basen; Puffer Einleitung Puffer werden überall dort eingesetzt, wo Lösungen mit einem definierten ph-wert benötigt werden, der sich über einen länger en Zeitraum konstant hält. Konkrete Anwendungsgebiete in der Biologie wären zum Beis piel Nährmedien f ür Bakterienkulturen, deren Wachstumsoptimum bei einem bestimmten ph-wert liegt oder - weniger ein Anwendungs gebiet als ein Beispiel f ür die natürliche Nutz ung von Pufferlösungen - das menschliche Blut, we lches ebenfalls auf einem konstanten ph- Wert gehalten werden muss. Eine Pufferlösung ist ein Gemisch aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder einer schwachen Bas e und ihrer konjugierten Säure. Das bedeutet, dass die Base bei der Hinr eaktion dur ch Abgabe von Protonen zur Säure wird, während die entsprechende Säure durch Aufnahme di eser Protonen zur Base wird. Läuft dieser Schritt auch umgekehrt ab, spricht man auch von einem konjugierten (oder auch korrespondierenden) Säure-Base-Paar. In den hier behandelten Versuchen soll zuerst gezeigt werden, wie sich der ph-wert von zuvor neutralisiertem Wasser nach Zugabe v erschiedener Salze ändert. I m Anschluss daran wird die Wirkungsweise von Puffersystemen demonstriert. Abschließend soll ein Acetatpuffer selbst hergestellt und die Pu fferwirkung überprüft werden. Material, Methoden, Messwerte I. Protolyse von Salzen: 50 ml entsalztes Wasser werden mit einem Puffer (ph 7) neutralisiert. Anschließen d wird in jeweils 5 ml dieses Wa ssers je eine Spatelspitze Na 2 CO 3, Na 3 PO 4, NaHSO 4, Na 2 SO 4 und NH 4 Cl gegeben und mittels ph-meter die ph-werte ermittelt

3 Gemessener ph-wert Salz Na 2 CO 3 10,7 Na 3 PO 4 10,2 NaHSO 4 2,1 Na 2 SO 4 3,5 NH 4 Cl 3,5 Tab. 1: Messwerte Protolyse von Salzen II. Wirkungsweise von zwei Puffersystemen: Ein Reagenzglas wird mit 11 ml Wasser, ein zweites mit 10 ml Natriumacetat (C 2 H 3 NaO 2, 2 N) und 1 ml Essigsäure (CH 3 COOH, 2 N) gefüllt, sowie als Indikator Methylorange hinzu gegeben. Man gibt nun tropfenweise verdünnte HCl zu den Lösungen. Beim zweiten Puffersystem wir d die gleic he Menge Wasser mit einer Mischung aus 1 ml Ammoniak (NH 3 ) und 10 ml Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) und Zugabe des Indikators Tymolphtalein v erglichen. Da zu wird NaOH tropfenwe ise hinzu gegeben. Bei beiden Ansätzen lässt sich beobachten, dass beim Wasser schon nach Zugabe von einem Tropfen der Säure, bzw. Lauge ei n Farbumschlag erfolgt. Bei den beiden Puffersystemen erfolgt dies er Farbumschlag selbst dann nicht, wenn das Reagenzglas bis zum Rand aufgefüllt wird. III. Herstellung des Acetatpuffers: Ziel ist es, einen Puffer mit ph 5,4 herzustellen. 10 ml Essigsäure (2 N) werden mit einer zu berechnenden Menge Natriumaceta t versetzt und in einem Messkolben mit dest. Wasser auf 100 ml aufgefüllt. IV. Überprüfung der Pufferwirkung: Je 25 ml des hergestellten Puffers werden mit einmal 10 ml H 2SO 4 (0,05 N) und einmal mit 10 ml NaOH (0,1 N) gemisch t. Danach wird die Pufferlösung z ehnfach verdünnt und wieder jeweils 25 ml mit 10 ml H 2 SO 4 (0,05 N) und 10 ml NaOH (0,1 N) gemischt

4 H 2 SO 4 NaOH unverdünnt 5,2 5,5 verdünnt (1/10) 4,4 12,1 Tab. 2: gemessene ph-werte der Lösungen Auswertung, Diskussion I. Die folgenden Protolysegleichungen erkl ären die gemessenen ph-werte, jedoch weichen die gemess enen Werte (s. Tab. 1) bei Na 2SO 4 und NH 4 Cl von den zu erwartenden Werten stark ab. Dies könnte an den zum Teil nur unzureichend funktionierenden ph- Metern liegen, da am selben Gerä t mit derselben Lösung mehrere Werte zu messen waren. Na 2 CO 3 : 2Na CO 3 + H 2 O 2Na + + HCO OH - basisch Na 3 PO 4 : 2Na + + PO H 2 O 3Na HPO 4 + OH - basisch NaHSO 4 : Na + + HSO H 2 O Na SO 4 + H 3 O + sauer Na 2 SO 4 : 2Na SO 4 + H 2 O 2Na + + HSO OH - schwach basisch NH 4 Cl : NH Cl - + H 2 O NH 3 + H 3 O + Cl - schwach sauer II. Der Farbumschlag beim Wasser nach Zugabe e ines Tropfens HCl lässt sich mit folgender Rechnung leicht erklären: 11 ml Wasser (ph 7) werden ein Tropfen Salzsäure (2 N) zugesetzt. Bei ein em Tropfenvolumen von 0,05 ml ergibt sich da raus eine Molmenge von 0,1 mmol. Das n Gesamtvolumen beträgt nun 11,05 ml. Eingesetzt in die F ormel c = ergibt sich v + 0,1 daraus ch ( ) = = 0,0091 mol/ l. Um den ph-wert auszurechnen, benutzt man 11,05 den negat iv dekadis chen Logarithmus und ko mmt letztendlich zu folgendem Ergebnis: ph = log[ c( H + )] = log[0, 0091] 2, Der ph-wert hat sich nach Zugabe nur eines Tropfens Salzsäure fast um den Wert fünf geändert! Ganz anders verhält es sich nach Zugabe derselben Meng e Salzsäure zum Puffersystem: Das Natriu m des Natriumacetats ist hier zu vernachlässigen, darum besteht der Puffer letztlich aus 10ml Acetat (CH 3 COO -, 2N) und 1 ml Essigsäure (CH 3 COOH, 2N). Die sich daraus er gebenden Molmengen sind: 20mmol und 2 mmol. Um den - 3 -

5 ph-wert des Puffers zu ermitteln, benutzt man die Hende rson-hasselbalch- Gleichung. Diese lautet: [ A ] ph = pks + log. Der pk s-wert bezeichnet die [ HA ] Säuredissoziationskonstante; diese lautet bei diesem Puffer 4,75. Bei diesem Wer liegen zu gleichen Teilen Es sigsäuremoleküle und Ac etationen v or. Setzt man nun die Werte ein, ergibt sich ein ph-wert von 20 ph = 4, 75 + log = 5, 75. Gibt man zu dem 2 Puffer nun einen Tropfen HC l (0,05 ml, 2N) mit der Molmenge 0,1 mmol, verändert sich der ph-wert wie folgt: 20 0,1 ph = 4, 75 + log = 5, 73. Man sieht, dass sich de r 2+ 0,1 ph-wert kaum ändert. Daher ist hier auch ke in Farbumschlag zu erkennen. Analo g dazu kann man die W erte des zweiten Puffersystems ermitteln. Der pk s -Wert hier ist 9,21. Da die Rechenschritte nun bekannt sind, wer den an dieser Stelle nur die errechneten Werte genannt: Wasser NH 3 /NH 4 Cl-Puffer ohne NaOH 7 10,21 Zugabe von NaOH 12 10,23 t III. Um di e benötigt e Menge Natriumaceta t zu berechnen, wird wieder um die Henderson-Hasselbalch-Gleichung benötigt. Durch Einsetzen und Umstellung kommt man zu folgender Lösung: ph [ A ] = pks + log [ HA ] [ A ] ph pks = log [ HA ] [ A ] 5, 4 4,75 = log 20 [ A ] 0,65 = log = 0,65 [ A ] 20 0,65 20i 10 = [ A ] 89,3367 = [ A ] Dieser Wert ist in mmol. Se tzt man diesen Wert nun für n in m= Mi n ein, wobei die Molar e Masse von Natriumacetat 136,08 g/mol beträgt, ergibt sich daraus eine Menge von m = (136,08i89,3367) i 0,001 = 12,16g

6 Nach Zugabe dieser Menge Natriumacetats zu 10 ml Essigsäure (2N) und dem Auffüllen auf 100 ml wurde mit einem ph- Meter gemessen und auch der gewünschte ph-wert von 5,4 erreicht. IV. 25 ml des hergestellten Puffers sowie des gleichen Volumens einer zehnfachen Verdünnung wurden, wie unter III. im Material- und Methodenteil beschrieben, H 2 SO 4 und NaOH zugesetzt. Zu beobachten war, dass sich die Werte beim unverdünnten Puffer weniger änderten, al s im verdünnten. Die Pufferk apazität des unverdünnten Puffers ist also höher. Weiterhin lässt sich nac h Messung der ursprünglichen Pufferlösung mit der Verdünnten beobachten, dass der ph-wert fast unabhängig von der Verdünnung ist, denn der ph-wert änderte sich nach der Verdünnung kaum (ph- Wert der Verdünnung: 5,3). Mittels Henderson-Hasselbalch-Gleichung la ssen sich folgende Werte ermitteln (die genauen Rechnungen wurden im oberen Teil schon genau besc hrieben, weshalb an dieser Stelle nur die Ergebnisse genannt werden): H 2 SO 4 NaOH unverdünnt 5,39 5,43 verdünnt (1/10) Die errechneten Werte der unverdünnt en Lösung decken sich fast mit den gemessenen

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