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Phosphatpuffer bei Zugabe von NaOH und HCl

Aufgaben

Gegeben sei ein 0.03 molarer Phosphatpuffer, der sich aus 4 mM KH₂PO₄ und 26 mM K₂HPO₄ zusammensetzt.

Aufgabe 1.  Welchen pH besitzt diese Pufferlösung bei 25?

Aufgabe 2.  Wie ändert sich der pH dieser Pufferlösung, wenn

• 1 mM NaOH zugegeben wird?
• 1 mM HCl zugegeben wird?
• Gleichgewicht mit dem atmosphärischen CO₂ besteht?

Aufgabe 3.  Wie ändert sich der pH nach Zugabe von 1 mM FeCl₂ und 1 mM FeCl₃?

Aufgabe 4.  Was geschieht, wenn man die Fe-haltige Lösung aus Aufgabe 3 in einen stark oxidierenden Zustand versetzt?

Zu Aufgabe 1

Wir beginnen mit reinem Wasser (Taste H2O) und öffnen das Reaktions-Modul (Taste Reac). In die Eingabe­maske werden einge­tragen: 4 mM KH₂PO₄ und 26 mM K₂HPO₄ — siehe Bild rechts.

Mit Klick auf die Start-Taste erscheint das Ergebnis

  pH = 7.69

In Worten: Der 0.03 molare Phosphatpuffer besitzt einen pH-Wert von 7.69 (bei 25).

Zu Aufgabe 2

Wir wiederholen die Rechnung, nehmen aber jetzt 1 mM NaOH als dritten Reaktanten hinzu. Anschließend nochmal das Gleiche mit 1 mM HCl (ebenfalls als dritten Reaktanten).

In einer dritten Rechnung schließlich setzten wir die Puffer­lösung ins chemische Gleichgewicht mit dem atmosphärischen CO₂. Dazu Taste Setup und das Kontrollkästchen “offenes CO2 System” aktivieren — siehe Bild rechts.

Die drei Ergebnisse (im Vergleich zu Reaktionen mit reinem Wasser) lauten:

Puffer + 1 mM NaOH:	7.69 ⇒ 7.83		( H2O + 1 mM NaOH:	7.00 ⇒ 10.98 )
Puffer + 1 mM HCl:	7.69 ⇒ 7.58		( H2O + 1 mM HCl:	7.00 ⇒ 3.01 )
Puffer + atmosph. CO2:	7.69 ⇒ 7.65		( H2O + atmosph. CO2:	7.00 ⇒ 5.61 )

Diese Beispiele veranschaulichen die Resistenz einer Pufferlösung gegenüber Säure- und Base-Einträgen: der pH-Wert ändert sich nur geringfügig.

Zu Aufgabe 3

Mit dieser Aufgabe soll der Einfluss des Redoxpotenzials und der Mineralfällung untersucht werden. Zu diesem Zweck geben wir dem Phosphatpuffer zwei Reaktanten mit unterschiedlicher Oxidationszahl hinzu: 1 mM FeCl₂ (also Fe(II) in der Oxidationsstufe 2) und 1 mM FeCl₃ (also Fe(III) in der Oxidationsstufe 3).

Das Ergebnis ist im rechten Bild angezeigt. Zwei Werte für den pH werden ausgegeben:

• Output 1 (vor der Fällung): pH = 7.41
• Output 2 (nach der Fällung): pH = 7.55

Das Fe(III)-Mineral, welches hier ausfällt, ist Strengite (FePO₄:2H₂O).

Man erkennt: Von der Gesamtmenge an Fe (hier 2 mM), die man der Pufferlösung zugibt, fallen 1 mM als Strengite aus (welches der Menge an zugegebenen FeCl₃ entspricht). Der Rest von 1 mM Fe bleibt als Fe(II) in Lösung.

Zu Aufgabe 4 (Oxidation)

Die bisherigen Ergebnisse gelten für “normale” Redox­bedingungen mit pe = 4.¹ Wir oxidieren nun die Pufferlösung durch O₂-Zugabe.

Zur Eingabe der Daten siehe Bild rechts. Wir haben vier Reaktanten (von denen die ersten beiden den Phosphatpuffer repräsentieren) plus die zusätzliche Einstellung offenes Redox-System mit pe = 10.² Damit wird dem System soviel O₂ zugeführt, bis der pe-Wert 10 sich einstellt.  (Genau beträgt die O₂-Zugabe 0.25 mM.³)

Das Ergebnis ist im Bild rechts zu sehen. Der Hauptunterschied zur vorangegangenen Berechnung ist, dass alles Fe(II) zu Fe(III) oxidiert. Damit haben wir 2 mM Fe(III), welches nun komplett als Strengite ausfällt. In der Lösung verbleiben lediglich 4.5·10^-7 mM Fe.

[Hinweis: Das Eingabefenster des Reaktions-Moduls ist zwar für maximal vier Reaktanten konzipiert — siehe vorletzten Screenshot. Durch die beiden Zusatz­bedingungen “offenes CO₂-System” und “offenes Redox-System” kommen allerdings zwei weitere Reaktanten hinzu, nämlich CO₂ und O₂. Kurzum, das Reaktions-Modul erlaubt damit die Zugabe von bis zu sechs Reaktanten.]

Anmerkungen