16.4:

16.4: Berechnung von pH-Änderungen in einer Pufferlösung

Calculating pH Changes in a Buffer Solution

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Calculating pH Changes in a Buffer Solution

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16.3: Henderson-Hasselbalch Equation

16.5: Buffer Effectiveness

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02:45 min

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September 24, 2020

Overview

Ein Puffer kann einen plötzlichen Abfall oder Anstieg des pH-Werts einer Lösung nach der Zugabe einer starken Säure oder Base bis zu ihrer Pufferkapazität verhindern; eine solche Zugabe einer starken Säure oder Base führt jedoch zu einer geringfügigen Änderung des pH-Werts der Lösung. Die geringe pH-Änderung kann berechnet werden, indem die resultierende Änderung der Konzentration von Pufferkomponenten, d. h. einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder umgekehrt, bestimmt wird. Die mit diesen stöchiometrischen Berechnungen erhaltenen Konzentrationen können verwendet werden, um den endgültigen pH-Wert der Lösung unter Verwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung oder einer ICE-Tabelle zu bestimmen.

Zum Beispiel enthält eine gepufferte Lösung 0,65 mol Ameisensäure und Natriumformiat. Da die Konzentration der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base hier gleich ist, ist der pH-Wert der Lösung gleich dem pK_a der schwachen Säure, der in diesem Fall 3,74 beträgt. Wenn 0,05 mol HNO₃ in diese Lösung gegeben wird, können die resultierenden Änderungen in der Konzentration der Ameisensäure und des Natriumformiats durch stöchiometrische Berechnungen bestimmt werden, wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt.

	H⁺(aq)	HCOO⁻(aq)	HCOOH (aq)
Vor dem Hinzufügen (M)	~0.00 mol	0.65 mol	0.65 mol
Addition (M)	0.050 mol	–	–
Nach dem Hinzufügen (M)	~0.00 mol	0.60 mol	0.70 mol

Der endgültige pH-Wert der Lösung kann dann bestimmt werden, indem geänderte Konzentrationen von Ameisensäure und Natriumformiat in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung eingefügt werden.

Somit senkt die Zugabe von 0,05 mol HNO₃den pH-Wert der Lösung von 3,74 auf 3,67.

Wenn 0,10 mol NaOH in dieselbe Lösung gegeben werden, können die resultierenden Änderungen in der Konzentration der Ameisensäure und des Natriumformiats durch stöchiometrische Berechnungen bestimmt werden, wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt.

	OH⁻ (aq)	HCOOH (aq)	HCOO⁻ (aq)	H₂O (l)
Vor dem Hinzufügen (M)	~0.00 mol	0.65 mol	0.65 mol	–
Addition (M)	0.10 mol	–	–	–
Nach dem Hinzufügen (M)	~0.00 mol	0.55 mol	0.75 mol	–

Der endgültige pH-Wert der Lösung kann dann bestimmt werden, indem geänderte Konzentrationen von Ameisensäure und Natriumformiat in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung eingefügt werden.

Somit erhöht die Zugabe von 0,10 mol NaOH den pH-Wert der Lösung von 3,74 auf 3,87.

Transcript

Eine leichte pH-Änderung tritt in einer Pufferlösung auf, wenn eine kleine Menge starker Säure oder eine kleine Menge starker Base hinzugefügt wird.

Diese pH-Änderung wird in zwei verschiedenen Schritten berechnet.

Zunächst wird eine stöchiometrische Berechnung verwendet, um die Änderung der Konzentrationen zu bestimmen.

Dann wird eine Gleichgewichtsberechnung verwendet, um den neuen pH-Wert der Lösung zu bestimmen, entweder unter Verwendung einer ICE-Tabelle oder der Henderson-Hasselbalch-Gleichung.

Der pH-Wert eines Puffers, der 2,0 M Flusssäure und Natriumfluorid enthält, kann vor und nach Zugabe einer starken Säure oder Base berechnet werden.

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung kann verwendet werden, um den anfänglichen pH-Wert dieses Puffers zu bestimmen, da die Konzentrationen im Verhältnis zum K_a der schwachen Säure hoch sind und die Änderung der Konzentrationen weniger als 5 % beträgt.

Der pK_a für Flusssäure kann mit 3,46 berechnet werden. Wenn die Konzentration der schwachen Säure und der konjugierten Base in einer Lösung gleich ist, ist der pH-Wert gleich pK_a. Daher liegt der anfängliche pH-Wert bei 3,46.

Wenn 0,2 Mol Salzsäure zu einem Liter dieses Puffers hinzugefügt werden, unter der Annahme, dass dies eine vernachlässigbare Volumenänderung verursacht, wird die zugesetzte Säure durch die Fluoridionen neutralisiert, wodurch Flusssäure entsteht. Dies führt zu einer stöchiometrischen Abnahme der Konzentration von Fluoridionen um 0,2 Mol und einer gleichen Erhöhung der Flusssäurekonzentration.

Die neuen Konzentrationen können in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung eingefügt werden. Wenn er gelöst ist, liegt der neue pH-Wert bei 3,37 und damit unter dem ursprünglichen pH-Wert von 3,46.

Durch die Zugabe starker Säure kommt es zu einer Abnahme des pH-Werts, die jedoch gering ist, da die Lösung gepuffert ist.

Im Gegensatz dazu wird bei Zugabe von 0,1 Mol Natriumhydroxid zu einem Liter des Puffers unter der Annahme, dass dies eine vernachlässigbare Volumenänderung verursacht, die zugesetzte Base durch Reaktion mit Flusssäure neutralisiert. Dies führt zu einer stöchiometrischen Abnahme der Flusssäurekonzentration um 0,1 Mol und einer gleichmäßigen Erhöhung der Fluoridionen.

Unter Verwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung beträgt der pH-Wert der Lösung 3,50, was aufgrund der Zugabe von Natriumhydroxid etwas höher ist als der anfängliche pH-Wert von 3,46.

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Tags

PH-Änderungen Pufferlösung Starke Säure Starke Base Stöchiometrische Berechnung Gleichgewichtsberechnung ICE-Tabelle Henderson-Hasselbalch-Gleichung Flusssäure Natriumfluorid PKa Schwache Säure Konjugierte Base Mole Salzsäure