Unter-Thema S7.2: Pufferlösungen

  • Lernziele und Einschränkungen

    • Verständnis der Konzepte von Pufferlösungen
    • Praktische Anwendung bei der Herstellung von Pufferlösungen

  • Konzepte, Aktivitäten, Vorschläge

    • Basische Puffer:
    • Definition: Eine Pufferlösung setzt sich aus einer schwachen Base und ihrem Salz zusammen.
    • Wechselwirkung zwischen einer schwachen Base und einer starken Säure.
    • Verwendung des Salzes einer schwachen Basis und einer starken Base zur Herstellung von Pufferlösungen.
    • Herstellung einer Pufferlösung:
    • Auswahl einer Liste von Säuren und Basen, einschließlich deren Dissoziationskonstanten, um einen Puffer bei einem bestimmten pH-Wert herzustellen.
    • Berechnung des pH-Wertes einer Pufferlösung unter Verwendung von:
      • einer monoprotischen Säure und ihrer konjugierten Base (saurer Puffer)
      • einer monoprotischen Base und ihrer konjugierten Säure (basischer Puffer)
    • Berechnung der Konzentration der in der Pufferlösung enthaltenen Stoffe.

  • Mathematische Grundlagen:

    • Verwendung des Massenwirkungsgesetzes und der ICE-Tabelle zur Berechnung von Gleichgewichten.
    • Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
    • pH = pKs + ext{log}{10} rac{[ ext{konjugierte Base}]}{[ ext{Säure}]}
    • Zwei Annäherungen zur Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
      1. Alle A⁻-Ionen stammen aus dem Salz.
      2. Alle HA-Moleküle in der Pufferlösung sind nicht dissoziiert.

  • Abhängigkeit des pH-Wertes:

    • Der pH-Wert einer Pufferlösung hängt von zwei Faktoren ab:
    1. Den Werten von Ks oder Kb („Grobabstimmung“).
    2. Dem Verhältnis der konjugierten Base zur Säure („Feinabstimmung“).
    • Eine Pufferlösung zeigt eine gute Pufferwirkung nur im pH-Bereich von pK_s ± 1.

Unter-Thema S7.2: Zusammensetzung und chemische Eigenschaften von Pufferlösungen

  • Lernziele und Einschränkungen

    • Berechnung des pH-Wertes von Lösungen starker Säuren und Basen.
    • Vergleich von pH und pK_s zur Bestimmung der dominierenden Form des Stoffes bei verschiedenen pH-Werten.

  • Konzepte, Aktivitäten, Vorschläge:

    • Berechnung des pH-Wertes:
    • Wässrige Lösungen schwacher monoprotischer Säuren und Basen unter Verwendung der Konstanten Ks (für [H3O^+ (aq)]) bzw. von K_b (für [OH^− (aq)]) berechnen.
    • Bestimmung des Gleichgewichts in einer Säure-Base-Reaktion durch Analyse der Ks- oder pKs-Werte.
    • Definition einer Pufferlösung:
    • Eine Pufferlösung ist definiert als eine Lösung, die den pH-Wert bei der Zugabe begrenzter Mengen von starker Säure oder Base nur geringfügig ändert.
    • Reaktionsgleichungen und Methoden:
    • Schreiben der ausgeglichenen chemischen Gleichung für die Reaktion von Säuren mit reaktiven Metallen, Metalloxiden, Metallhydroxiden, Hydrogencarbonaten und Carbonaten.
    • Beschreibung von Methoden zur Herstellung von Pufferlösungen:
      1. Anwendung einer schwachen Säure und ihres Salzes
      2. Verwendung einer schwachen Säure mit starker Base
      3. Verwendung von Salz der schwachen Säure mit starker Säure
    • Weiterführende Diskussion über die Anwendung von pH-PC-Diagrammen für Säure-Base-Gleichgewichte.
    • Bezug auf die Wichtigkeit der Kontrolle des pH-Wertes in lebenden Organismen.

Unter-Thema S7.2.2: pH-Wert

  • Definition des pH-Werts:

    • Der pH-Wert wird definiert als pH = - ext{log}{10} [H3O^+ (aq)], und der pOH-Wert als pOH = - ext{log}_{10} [OH^- (aq)].
    • Weitere relevante Beziehung: pH + pOH = 14.
    • Der pH-Wert misst den Säuregehalt einer wässrigen Lösung.

  • Stärke von Säuren und Basen:

    • Definition der Stärke als Maß für die Fähigkeit einer Säure, H^+ abzugeben und einer Base, H^+ zu akzeptieren.
    • Verwendung von einfachen Pfeilen für starke Säuren/Basen und Gleichgewichtspfeilen für schwache Säuren/Basen.
    • Diskussion über Säure-/Basenkonstanten (Ks und Kb) von schwachen Säuren/Basen.
    • Mathematische Beziehungen zwischen Ks, Kb und K_w.

  • Reaktivität:

    • Reihenfolge der Säuren und Basen nach ihrer Reaktivität bei gleicher Konzentration.
    • Evaluierung der Stärke von Säuren/Basen anhand ihrer Ks- oder pKs-Werte (oder Kb und pKb).
    • Messung des pH-Wertes und der Leitfähigkeit von Lösungen bei verschiedenen Konzentrationen und Stärken.
    • Bestimmung der Säurekonstanten von schwachen Säuren.

Unter-Thema S7.2.1: Säuren und Basen nach Brönsted-Lowry-Theorie

  • Definitionen:

    • Eine Säure wird definiert als Protonendonator und eine Base als Protonenakzeptor. Beispielreaktion:
    • HA(aq) + H2O (l) ightleftharpoons H3O^+ (aq) + A^− (aq)
    • B(aq) + H_2O(l)
      ightleftharpoons BH^+ (aq) + OH^− (aq)

  • Polyprotische Säuren:

    • Definition und Anwendung, dass eine Säure mehrere Protonen abgeben kann.
    • Säure/Base-Paare werden in Form von HA(aq)/A^− (aq) oder BH^+(aq)/B(aq) dargestellt.

  • Konzepte:

    • Aggregatzustände in Reaktionsgleichungen sind nicht erforderlich, aber hilfreich.
    • Darstellung eines Protons in wässriger Lösung sowohl als H^+ (aq) als auch H_3O^+ (aq).

Unter-Thema S7.1: Reaktionen und Gleichgewichte

  • Richtung der Reaktion:

    • Diskussion des Reaktionsquotienten Q als das Verhältnis der Konzentrationen der Produkte zu den Edukten zu einem bestimmten Zeitpunkt.
    • Allgemeine Reaktion beschrieben als:
    • Q = rac{[R]^r[S]^s}{[A]^a[B]^b}
    • Kriterien für Gleichgewicht:
      • Wenn Q = K , dann ist die Reaktion im Gleichgewicht.
      • Wenn Q < K , dann verläuft die Reaktion zugunsten der Produkte.
      • Wenn Q > K , dann verläuft die Reaktion zugunsten der Edukte.

  • Gleichgewichtskonstante:

    • Für eine Reaktion der Form A + B
      ightleftharpoons R + S lautet der Ausdruck der Gleichgewichtskonstante (Massenwirkungsgesetz):
    • Kc = rac{[R]{eq}[S]{eq}}{[A]{eq}[B]_{eq}}
    • Der Wert der Gleichgewichtskonstante ist temperaturabhängig und hat keine Einheiten.
    • Bei heterogenen Gleichgewichten sind nur die Konzentrationen der gasförmigen und gelösten Stoffe wichtig.

  • Gesetz von Le Chatelier:

    • Wenn ein im Gleichgewicht befindliches System gestört wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in eine Richtung, die der Störung entgegenwirkt.

  • Simulation:

    • Experimentelle Untersuchungen zur Veranschaulichung von Gleichgewichtszuständen und -reaktionen.

Fazit

  • Diese Notizen bieten eine umfassende Übersicht zu den Konzepten von Pufferlösungen, Säuren, Basen und dem chemischen Gleichgewicht, einschließlich relevanter mathematischer Formeln und Definitionen zur Unterstützung des Lernprozesses.