pH-Messungen mit Phosphatpuffer und Wasser

[Glaskocher]

pH-Messungen mit Phosphatpuffer und Wasser

Bei vielen chemischen Reaktionen in Wasser kommt es darauf an, daß der pH-Wert relativ konstant gehalten wird. Das ist besonders in der Biochemie wichtig, wo Enzyme oder andere Eiweiße nur bei bestimmten pH-Werten optimal funktionieren. Bei abweichenden pH-Werten werden sie langsamer oder sogar zerstört. Hier wird eines der im Blut wichtigsten Puffersysteme vorgestellt: Der Hydrogenphosphat-Dihydrogenphosphat-Puffer.



Geräte: Bechergläser 2L, 500ml, 150ml, pH-Meter mit Glaselektrode, Siedestab aus Glas, Uhrglas, Vierfuß mit Ceranplatte, Bunsenbrenner, Greifhilfe für heiße Gefäße (Baumwolltuch), dicht schließende Flasche aus Polypropylen, Spatel, Wägepapier, Messkolben 100ml, Kolbenpipetten 10ml



Chemikalien:
Demineralisiertes Wasser
Natriumdihydrogenphosphat-dihydrat
Dinatriumhydrogenphosphat-dihydrat
konz. Salzsäure (35%)
Natriumhydroxid Plätzchen
Pufferlösungen zur Kalibration von pH-Metern


Hinweis: Die Stammlösungen von Salzsäure und Natriumhydroxid sind stark ätzend, Schutzbrille und -Handschuhe tragen.



Vorbereitung:
Man füllt das 2L-Becherglas mit ca. 1,5 Litern demineralisiertem Wasser, stellt den Siedestab so henein, daß er eine Luftblase mitnimmt und deckt das Becherglas mit einem großen Uheglas ab, bevor es auf dem Vierfuß mit der Ceranplatte über dem Bunsenbrenner zum Sieden erhitzt wird. Das Wasser läßt man zehn minuten sprudelnd sieden, bevor damit unverzüglich eine dicht schließende Flasche aus Polypropylen randvoll gefüllt und sofort verschlossen wird. Diese Flasche läßt man auf Raumtemperatur abkühlen, wobei ein Wasserbad hilfreich ist.

Man bestimmt die Dichte der konz. Salzsäure und ermittelt anhand der Tabellenwerte im Chemikerkalender deren aktuellen Massenanteil. Aus dem Massenanteil und der Dichte läßt sich das Volumen bestimmen, das zu 100 ml aufgefüllt eine 2,0-molare Salzsäure ergibt. Man füllt mit abgekochtem Wasser bis knapp unter die Marke, läßt auf Raumtemperatur abkühlen und füllt exakt auf.

In ein 150ml-Becherglas wiegt man 8,0 g (=0,2 mol) Natriumhydroxid-Plätzchen ein und löst sie in ca. 80 ml abgekochtem Wasser auf. Diese Lösung überführt man in einen 100 ml Maßkolben, kühlt auf Raumtemperatur und füllt bis zur Marke auf.

Man wiegt 35,60g Na₂HPO₄*2H₂O und 31,20g NaH₂PO⁴*2H₂O ab und löst sie in abgekochtem Wasser, und füllt zuletzt auf 400ml auf. Das Dinatriumhydrogenphosphat ist recht schwer löslich und sollte deshalb zuerst gelöst werden.


Durchführung:
Man füllt je drei 150ml-Bechergläser mit 100ml der Pufferlösung beziehungsweise mit dem abgekochten Wasser. Sie werden mit "Puffer" beziehungsweise "Wasser" markiert und je ein Paar (Puffer und Wasser) bekommt die Markierung "+ Säure" oder "+ Lauge". In die markierten Gläser gibt man mit Kolbenpipetten je 10 ml der entsprechenden Stammlösung.

Nach guter Durchmischung misst man mit dem tagesfrisch kalibrierten pH-Meter den pH-Wert der einzelnen Lösungen und beginnt innerhalb einer Gruppe (Wasser oder Puffer) mit der Lösung ohne Zusatz. Zwischen zwei Messungen wird die Glaselektrode mit demin. Wasser gut abgespült.

Um das Ganze auch visuell zu verdeutlichen kann man jedem der sechs Bechergläser noch einige Tropfen flüssigen Universalindikator (nach Yamada) zugeben.

Wasser: pH=6,49 (gelbgrün)
Wasser plus Säure: pH=1,08 (rot)
Wasser plus Lauge: pH=13,18 (violett)

Puffer: pH=6,65 (gelbgrün)
Puffer + Säure: pH=6,05 (orangegelb)
Puffer + Lauge: pH=7,09 (blaugrün)




Entsorgung:
Die Lösungen können nach Neutralisation (untereinander mischen) zum Abwasser gegeben werden.



Erklärung:
Ein Puffer ist ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert (Konzentration der Oxoniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder einer Base wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Die Wirkung des Puffers beruht auf der Umsetzung der durch die Säure bzw. Base zugeführten Oxoniumionen (H3O⁺) bzw. der Hydroxidionen (OH⁻) zu schwachen Säuren bzw. Basen, die selbst nur wenig zur Bildung von H3O⁺ bzw. OH⁻-Ionen neigen. (kopiert aus Wikipedia)




Bilder:

pH-Meter

pH-Meter (Symbolbild)

Essigsäure-Acetat-Puffer

Essigsaeure-Acetat-Puffer mit Indikator, die mittlere Reihe ist mit Säurezusatz, dest. Wasser, Laugenzusatz. Leider habe ich kein Bild zum Phosphatpuffer.


Literatur:

- eigene Aufzeichnungen zu Vorlesungsskripten der Uni Bonn
- Von Puffern und Pufferung Prof. Blumes Tipp des Monats Juli 2008 (Tipp-Nr. 133)
- Puffer (Chemisch) in Wikipedia

[Glaskocher]

Bei diesem Artikel werde ich noch an der Erklärung arbeiten müssen.

Leider habe ich damals kein Bild von den zwischen Vorlesung und Entsorgung rasch mit Universalindikator versetzten Lösungen gemacht, deshalb das Bild aus einem anderen Jahr mit Essigsäure-Acetat-Puffer. Davon ist zumindest die mittlere Reihe auch hier brauchbar, der Rest (obere und untere Reihe) sind leider in einem weniger empfindlichen Farbbereich des Indikators. Im Alkalischen scheint das Phenolphthalein nicht mehr gut genug zu funktionieren, deshalb nur Blau statt Violett.

[lemmi]

Puffer sind, wenn man bloß der Vorschrift folgt, scheinbar einfach. Sie zu verstehen ist aber nicht trivial, besonders wenn es sich wie hier um ein mehrstufiges System handelt. Daher fände ich eine ausführliche Erklärung incl. der Formeln zur Berechnung des pH Wertes sinnvoll.

Bilder werden sich sicher bei der nächsten Vorlesungsvorbereitung machen lassen

[mgritsch]

Ja, Puffer kann man immer brauchen! Nützlich!

Ein paar Anmerkungen:
- ich glaube im Blut ist Kohlensäure/Hydrogencarbonat und nicht Phosphat das aktive System...
- wenn man nicht gerade einen Referenzpuffer zur Kalibrierung herstellen muss, ist das Abkochen von Wasser eher überflüssig...
- mit deinem Foto vom Acetatpuffer komme ich noch nicht klar, was ist da in welcher Reihe und welchen Indikator hast du benutzt? Phenolphthalein mal nicht, das passt farblich gar nicht... (farblos wird es nur in sehr konzentrierter Lauge wieder...)
- eventuell wäre eine Anreicherung um etwas Theorie (Puffergleichung, Pufferkapazität...) sinnvoll? Was ist die Zielgruppe des Artikels?
- eventuell wäre eine Anreicherung um andere nützliche Puffersysteme sinnvoll? Offizielle Referenzpuffer (Hydrogenphthalat, Carbonat, Citrat, Borax), Ammoniak, evtl sogar ganze Puffertabellen? Da kann ich einiges bereitstellen wenn gewünscht...

[Glaskocher]

Im Bild mit dem Acetat-Puffer ist nur die mittlere Reihe brauchbar, da sie mit "leerem" Wasser gemacht wurde. Die obere Reihe ist mit 1-molarer Essigsäure (+ Säure, pur, + Lauge) und die Untere ist mit Acetat-Puffer (+ Säure, pur, + Lauge). Da Yamadas Universalindikator in dem Bereich allerdings recht unsensibel im Farbwechsel reagiert sehen alle Gläser der oberen und unteren Reihe fast identisch aus. Außerdem war die Zubereitung zu dem Zeitpunkt schon einige Jahre alt und war nicht mehr im optimalen Zustand.

Der Phosphatpuffer unterstützt den Carbonat-Hydrogencarbonat-Puffer als Zweitwichtigster und gehört damit zu den Wichtigsten (etwas erbsenzählerisch meinerseits).

Um mit einem pH-Meter arbeiten zu können braucht man die Referenzpuffer, um das Gerät zu kalibrieren. Ohne Kalibration stimmen weder der Neutralpunkt noch die Steilheit der Millivolt-pH-Relation, weil nicht jede Elektrode an jedem Gerät 59mV/pH liefert.

Im "Nachsatz", meiner ersten Antwort, hatte ich ja noch ein "Baustellenschild" zur Erklärung aufgestellt. Dort fehlt noch die Berechnung des theoretischen Wertes zu jeder Probe und die Rechengleichung. Da muß ich mal sehen, wie weit ich komme, bin aber für Hilfe, auch bei der Sammlung weiterer Puffersysteme, dankbar.

Über die Zielgruppe hatte ich mir noch keine allzugroßen Gedanken gemacht...
Ohne zu großes Theoriefundament könnte man zeigen, daß Puffer kleinere Zugaben an Säure/Lauge recht gut wegstecken. Mit Theoriefundament sollte man ihn auch darüber hinaus nutzen können.

[mgritsch]

Aus dem CRC Handbook:

Die käuflichen Puffer zur Kalibrierung (kleine Tütchen zum Auflösen) sind genau diese Systeme die unter „primary standards“ genannt sind.

Wichtig bei der Kalibrierung: immer zuerst pH 7 kalibrieren (Nullpunkt), dann erst pH 4 oder 10 (Steilheit), sonst macht das Gerät Quatsch (kann zumindest sein...)

Perfekt über den gesamten Bereich geht meist nicht, daher ggfs auswählen welcher Bereich wichtiger ist - eher sauer oder eher alkalisch. Dann kann man auch mit relativ billigen Elektroden < 0,02 pH Einheiten reproduzierbar arbeiten (bei korektem Referenzpuffer auch: richtig)

[mgritsch]

P.s.:
An den Referenzpuffern kann man ja gleich den Unterschied zwischen Theorie der Rechnung und Praxis erörtern

Auch warum der 0,01 mol borax und der 0,05 mol so merklich differieren... in der (einfachen) Theorie ist das ja alles von der Konzentration unabhängig...?

[eule]

Schön dargestellt, wenngleich die Indikatoren nicht so toll angezeigt haben haben.

Vllt. wäre zur genaueren Veranschaulichung des Phosphat-Systems eine potentiometrische Titration, resp. deren Ergebnis (Diagramm, die Kurve mit den 2 Plateaus) sinnvoll/nützlich.

[Glaskocher]

Daß der Indikator nicht soo toll funktioniert hatte weiß ich, deshalb ja auch entsprechend kommentiert. Du meinst eher eine Titrationskurve der Phosphorsäure? Die könnte ich in zitierter Form noch in den Erklärungen unterbringen, gehört aber nicht zum original vorgeführten Experiment.

Ich gehe davon aus, daß neben den eingewogenen Konzentrationen der puffernden Säure-Base-Paare auch noch die verdünnungsbedingte Verschiebung des Protolysegrades mit berücksichtigt werden muß. Das ist gerade bei geringen Konzentrationen wichtig, da sie sich dort deutlicher zeigt. Ob dieser Effekt bei der Berechnung des Puffers schon berücksichtigt ist weiß ich im Moment nicht.

[eule]

ja genau, so eine Titrationskurve (nicht notwendigerweise als Teil des Experiments aufgenommen) könnte, wie ich glaube, einen Teil zum Verständnis von Phosphatpuffer beitragen.
ok, vllt. müßte man, um ganz vollständig zu sein, auch noch Herkunft und Bedeutung des pKs-Werts und des gerade bei mehrprotonigen Säuren (und den damit einhergehenden Puffermöglichkeiten) erklären, aber das kann wohl hier als bekannt vorausgesetzt werden.

Ich finds klasse, daß du dich an das doch nicht unbedingt triviale Prinzip der Puffer heranwagst.

[mgritsch]

Ich gehe davon aus, daß neben den eingewogenen Konzentrationen der puffernden Säure-Base-Paare auch noch die verdünnungsbedingte Verschiebung des Protolysegrades mit berücksichtigt werden muß. Das ist gerade bei geringen Konzentrationen wichtig, da sie sich dort deutlicher zeigt. Ob dieser Effekt bei der Berechnung des Puffers schon berücksichtigt ist weiß ich im Moment nicht.

Eine Titrationskurve lässt sich numerisch exakt relativ einfach rechnen wenn man einen kleinen Trick anwendet. Exakt bedeutet hier: das beinhaltet alle Verdünnung und das Autoptotolyse-GG von Wasser, aber keine Aktivitäten.

Startpunkt sind für eine dreibasige Säure wie Phosphorsäure + einsäurige (?) Base insgesamt 7 Bilanzgleichungen:
- Die drei Dissoziationsgleichgewichte
- das Autoprotolyse-Gleichgewicht
- die Konzentrationsbilanz der Phosphat-Spezies
- die Ladungsbilanz aller ionischen Spezies
- die Konzentrationsbilanz der Laugen-Spezies

Nun löst man das System nicht nach pH (bzw [H+]) auf, denn das ist unlösbar, dazu müsste man die 5te Wurzel aus einem Term ziehen. Die Aussage „welchen pH bekommt man nach x ml Zugabe von Lauge“ ist so nicht errechenbar. Was aber sehr wohl geht - ich gebe pH (bzw [H+]) als unabhängige Variable vor und errechne, wie viele ml Lauge es dafür gebraucht hätte!

Gut, 7 Gleichungen, 6 Variablen zu eliminieren... da rechnet man schon mal eine Zeit lang. Oder man benutzt sowas wie Mathematica, das macht es auf einen Klick. Am Ende steht ein längliches, aber durchaus einfach errechenbares rationales Polynom:

Und damit man sich bei der Titrationskurve auch nicht die Finger wund rechnet, setzt man Knecht Excel ein. In einer Spalte die pH-Werte, zB in 0,1-er Schritten, in der anderen der dazu errechnete Laugenverbrauch. pH-werte die das System nicht annehmen kann ergeben zB negative oder sinnlos große Laugen-Menge, kann man einfach ausschließen. Grafik dazu, e voila:

25 ml einer 0,1 M H3PO4 mit einer 0,1 M NaOH titriert.
Schön erkennbar die 2 Sprünge bei den Äquivalenzpunkten, der dritte existiert in Wasser de facto nicht.
Ebenfalls schön erkennbar: die 3 Plateaus bei pH ca gleich pKs - dort puffert es.
Ebenso der nivellierende Effekt des Wassers bei sehr hohen oder niedrigen pH.

Henderson-Hasselbalch ist letztendlich nur eine „spezielle“ Schreibweise der Gleichgewichts-Konstante eines einzelnen, isoliert betrachteten Dissoziations-Schritts in der [H+] gleich als pH ausgedrückt ist. Konzentration als Absolutwert oder Verdünnung existiert nicht.
Das bringt implizit 2 Vereinfachungen mit sich:
a) Autoprotolyse wird ignoriert = bei starken Verdünnungen möglicher Fehler
b) gekoppelte Gleichgewichte mehrbasiger Säuren werden ignoriert = wenn die pKs zu nahe beisammen liegen ein größerer Fehler. Essigsäure geht sehr gut, Zitronensäure bekommst du damit nicht mehr in den Griff.

[lemmi]

[OT] Im Blut sind die Proteine das bei weitem wichtigste Puffersystem. Die Konzentration an Phosphat ist viel zu gering um aktiv zu sein und das Hydrogencarbonat/CO₂-System reicht auch nicht aus, um den pH in dem relativ engen Physiologischn Beriech um 7,4 (7,36-7,44 wenn ich mich richtig erinnere) zu halten. Das HCO₃^-/CO₂-System wird aber als diagnostischer Parameter herangezogen, um den Säure-Base-Haushalt zu bestimmen, weil es am besten zu messen ist. [/OT]

[mgritsch]

Wollte mal nachfragen ob aus dem Artikel noch mehr werden soll… bilder, Erklärung, … noch was geplant um das abzuschließen?

[Glaskocher]

Schieb diesen Thread mal zunächst in die Spielwiese, weil ich mich erst in die Theorie einlesen müßte und aktuell nicht an frische Bilder heran komme.

[mgritsch]

ok, wie du magst. Schieben kann man ja so oft man will
Wenn du Unterstützung brauchst mit Theorie oder Bildern odgl bin ich ggfs auch gerne behilflich.