Der Puffer im Blut
AFB I–IIDer pH-Wert des Blutes liegt zwischen 7,35 und 7,45. Wichtigstes Puffersystem ist das Paar Kohlensäure/Hydrogencarbonat; Kohlensäure steht mit gelöstem Kohlenstoffdioxid im Gleichgewicht: \(\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}\). Im Blut liegen etwa 20-mal so viele Hydrogencarbonat-Ionen wie Kohlensäure-Teilchen (einschließlich gelöstem CO₂) vor. Bei starker Muskelarbeit gelangt Milchsäure ins Blut, über die Lunge wird CO₂ abgeatmet.
- Nennen Sie das Pufferpaar und formulieren Sie die Gleichungen für das Abfangen von H₃O⁺ und von OH⁻.
- Erklären Sie, warum der pH-Wert des Blutes beim Sport trotz Milchsäure nur wenig sinkt.
- Erläutern Sie die Rolle der Atmung für die Pufferwirkung.
- Beurteilen Sie, ob das Blut gegen Säuren oder gegen Laugen besser gepuffert ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Pufferpaar \(\ce{H2CO3}/\ce{HCO3-}\). Gegen Säure: \(\ce{HCO3- + H3O+ -> H2CO3 + H2O}\). Gegen Lauge: \(\ce{H2CO3 + OH- -> HCO3- + H2O}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Milchsäure protolysiert im Blut; die entstehenden H₃O⁺-Ionen reagieren mit HCO₃⁻ zu H₂CO₃ und Wasser. Aus einer stärkeren Säure wird die schwache Kohlensäure, freie H₃O⁺-Ionen bleiben kaum übrig; nur das Verhältnis HCO₃⁻ : H₂CO₃ sinkt etwas.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die gebildete H₂CO₃ zerfällt zu CO₂ und H₂O; CO₂ wird abgeatmet (schnellere Atmung beim Sport). Dadurch reichert sich die Puffersäure nicht an, das Gleichgewicht wird nach rechts gezogen — das System ist offen, die Pufferwirkung gegen Säure wird verstärkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gegen Säuren: Es liegt 20-mal so viel Pufferbase HCO₃⁻ wie Puffersäure vor; es kann also viel mehr H₃O⁺ abgefangen werden als OH⁻. Das passt zum Stoffwechsel, der überwiegend saure Produkte (CO₂, Milchsäure) liefert.
Soda-Lösung als halber Puffer
AFB II–IIIIn einem Schülerversuch werden je 50 mL dreier Lösungen mit 1,0 mL Salzsäure bzw. 1,0 mL Natronlauge (jeweils c = 1 mol/L) versetzt und der pH-Wert gemessen:
| Lösung (je 50 mL) | pH vorher | nach 1 mL HCl | nach 1 mL NaOH |
|---|---|---|---|
| dest. Wasser | 7,0 | 1,7 | 12,3 |
| Natriumcarbonat, c = 0,1 mol/L | 11,7 | 10,9 | 12,3 |
| NaHCO₃ und Na₂CO₃, je c = 0,1 mol/L | 10,3 | 10,2 | 10,5 |
- Beschreiben Sie die Messergebnisse vergleichend.
- Erklären Sie die Pufferwirkung des Gemischs mit Reaktionsgleichungen.
- Deuten Sie das Verhalten der reinen Natriumcarbonat-Lösung.
- Entwickeln Sie eine Vorschrift, wie man aus 50 mL der Natriumcarbonat-Lösung und der Salzsäure (1 mol/L) einen Puffer mit gleichen Mengen beider Partner herstellt, und begründen Sie sie.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Wasser: ΔpH = −5,3 bzw. +5,3. Natriumcarbonat-Lösung: Säure senkt den pH nur um 0,8, Lauge hebt ihn um 0,6 auf 12,3 — so hoch wie beim Wasser. Gemisch aus NaHCO₃ und Na₂CO₃: ΔpH nur −0,1 bzw. +0,2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{CO3^2- + H3O+ -> HCO3- + H2O}\) fängt Säure ab; \(\ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O}\) fängt Lauge ab. Beide Partner liegen mit je 5 mmol vor, 1 mmol Zugabe ändert das Verhältnis nur von 5 : 5 auf 4 : 6 bzw. 6 : 4.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Gegen Säure puffert die Lösung: CO₃²⁻ fängt H₃O⁺ ab, dabei entsteht HCO₃⁻ — danach liegen 4 mmol CO₃²⁻ und 1 mmol HCO₃⁻ vor, also ein (unsymmetrischer) Puffer. Gegen Lauge fehlt die Puffersäure HCO₃⁻ fast völlig; OH⁻ bleibt frei, der pH steigt wie beim Wasser auf 12,3.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
n(CO₃²⁻) = 0,050 L · 0,1 mol/L = 5 mmol. Für n(CO₃²⁻) = n(HCO₃⁻) = 2,5 mmol muss die Hälfte protoniert werden: 2,5 mmol HCl ≙ 2,5 mL Salzsäure (1 mol/L) unter Rühren zugeben. CO₃²⁻ + H₃O⁺ → HCO₃⁻ + H₂O; Teilneutralisation liefert beide Pufferpartner in gleicher Menge.