Zwei Partner, die sich die Arbeit teilen: Einer fängt Säure ab, der andere Base.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Puffer oder nicht?
AFB I
Nennen Sie alle Gemische, die eine Pufferlösung bilden (jeweils ähnliche Stoffmengen beider Stoffe).
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ein Puffer braucht eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base: \(\ce{NH4+}/\ce{NH3}\), \(\ce{H2PO4-}/\ce{HPO4^2-}\), \(\ce{H2CO3}/\ce{HCO3-}\), \(\ce{HCOOH}/\ce{HCOO-}\). \(\ce{Cl-}\) und \(\ce{NO3-}\) sind Basen starker Säuren und fangen praktisch keine Oxonium-Ionen ab; \(\ce{Na+}\) ist gar keine Säure.
Suchen Sie in jedem Gemisch ein korrespondierendes Paar aus schwacher Säure und Base.
Vier Gemische sind Puffer.
A2
Welcher Puffer, welcher pH-Wert?
AFB I
Ordnen Sie jedem Puffer aus gleichen Stoffmengen beider Komponenten seinen pH-Wert zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Bei \(n(\ce{HA}) = n(\ce{A-})\) gilt \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S\) der Puffersäure — wie am Halbäquivalenzpunkt. Die Werte stammen aus der \(\mathrm{p}K_S\)-Tabelle.
Welche Größe der Puffersäure bestimmt den pH-Wert?
Beim Ammoniumpuffer ist \(\ce{NH4+}\) die Säure.
A3
Pufferwissen
AFB I
Geben Sie an, ob die Aussagen zutreffen.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Puffer bestehen aus schwachen korrespondierenden Paaren; ihr pH-Wert und ihre Kapazität hängen von der Säure und den Stoffmengen ab.
Denken Sie an den Acetatpuffer mit pH 4,75.
Zwei Aussagen sind falsch.
A4
Der Ammoniumpuffer fängt Säure ab
AFB II
Zu einem Ammoniumpuffer wird etwas Salzsäure gegeben. Stellen Sie die Reaktionsgleichung für das Abfangen der Oxonium-Ionen auf (links die Pufferkomponente zuerst).
Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
\(\ce{NH3 + H3O+ -> NH4+ + H2O}\). Die Base des Puffers nimmt das Proton auf; es entsteht die Puffersäure. Das Verhältnis \(n(\ce{NH4+}) : n(\ce{NH3})\) verschiebt sich nur wenig, der pH-Wert sinkt kaum.
Welche Pufferkomponente kann ein Proton aufnehmen?
Aus \(\ce{H3O+}\) wird Wasser.
A5
Wer fängt ab?
AFB II
Ordnen Sie ein, welche Pufferkomponente den Eindringling jeweils abfängt.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1die Säure des Puffers
2die Base des Puffers
Säuren werden von der Pufferbase abgefangen (\(\ce{HPO4^2-}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{HCO3-}\)), Basen von der Puffersäure (\(\ce{H2PO4-}\), \(\ce{NH4+}\), \(\ce{H2CO3}\)).
Säure trifft Base, Base trifft Säure.
Milchsäure ist eine Säure.
A6
Wie viel verträgt der Puffer?
AFB II
Zwei Ammoniumpuffer (je 100 mL) enthalten gleiche Konzentrationen an \(\ce{NH3}\) und \(\ce{NH4+}\). Ermitteln Sie, wie viel Salzsäure bzw. Natronlauge (jeweils 1,0 mol/L) zugegeben werden kann, bis eine Komponente vollständig verbraucht ist.
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Puffer
n(NH₃) = n(NH₄⁺) in mmol
max. Salzsäure in mL
max. Natronlauge in mL
je 0,20 mol/L
je 0,05 mol/L
\(n = c\cdot V = 0{,}20\cdot100\,\mathrm{mmol} = 20\,\mathrm{mmol}\). Salzsäure verbraucht \(\ce{NH3}\), Natronlauge verbraucht \(\ce{NH4+}\) — je 20 mmol entsprechen 20 mL der 1-molaren Lösungen. Beide Puffer haben denselben pH-Wert (9,25), aber Puffer A hat die vierfache Pufferkapazität. Kurz vor der Erschöpfung ändert sich der pH-Wert allerdings schon deutlich.
\(n = c\cdot V\) mit \(V = 100\,\mathrm{mL}\).
1 mmol Säure verbraucht 1 mmol Pufferbase.
A7
Puffer durch Halbneutralisation
MixAFB II
50,0 mL Methansäure (\(c = 0{,}20\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(\mathrm{p}K_S = 3{,}75\)) sollen durch Zugabe von Natronlauge (\(c = 0{,}50\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) in einen Puffer mit gleichen Stoffmengen Säure und Base umgewandelt werden. Berechnen Sie die nötigen Größen.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
\(n(\ce{HCOOH})\) vorgelegtmmol
benötigtes Volumen NatronlaugemL
pH-Wert des Puffers
Die Hälfte der Säure (5 mmol) muss zu Formiat umgesetzt werden: \(V = 5\,\mathrm{mmol}/0{,}50\,\mathrm{mol\,L^{-1}} = 10\,\mathrm{mL}\). Das entspricht dem Halbäquivalenzpunkt einer Titration (3.3.2) — dort gilt \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S = 3{,}75\). Der flache Kurvenbereich um den HÄP ist genau der Pufferbereich.
\(n = c\cdot V\); die Hälfte der Säure soll reagieren.
An welchem Punkt der Titrationskurve liegen gleiche Stoffmengen HA und A⁻ vor?
A8
Den passenden Puffer wählen
AFB III
Faustregel: Ein Puffer wirkt gut im Bereich \(\mathrm{p}K_S \pm 1\). Entscheiden Sie, welcher Puffer sich für den gewünschten pH-Wert eignet: A Benzoesäure/Benzoat (4,20), B \(\ce{H2PO4-}/\ce{HPO4^2-}\) (7,20), C \(\ce{NH4+}/\ce{NH3}\) (9,25), D \(\ce{HCO3-}/\ce{CO3^2-}\) (10,40).
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
pH
A
B
C
D
pH 4,0
pH 7,4
pH 9,0
pH 10,0
pH 1,5
pH 10,0 liegt in beiden Bereichen 8,25–10,25 und 9,40–11,40. Für pH 1,5 gibt es in der Liste keinen Puffer — dort bräuchte man eine Säure mit \(\mathrm{p}K_S\) um 1,5 (z. B. \(\ce{HSO4-}\), 1,92).
Bilden Sie für jeden Puffer den Bereich \(\mathrm{p}K_S - 1\) bis \(\mathrm{p}K_S + 1\).
Eine Zeile bekommt zwei Kreuze, eine bleibt leer.
A9
Trickaufgabe: Entsteht ein Puffer?
TrickAFB III
Die Lösungen werden jeweils gemischt (alle 0,1 mol/L). Beurteilen Sie, ob eine Pufferlösung entsteht.
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = kein Puffer, 2 = kaum Pufferwirkung, 3 = schwache Pufferwirkung, 4 = Puffer, 5 = guter Puffer. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = kein Puffer5 = guter Puffer
50 mL Propansäure + 25 mL Natronlauge
50 mL Ammoniak-Lösung + 25 mL Salzsäure
50 mL Salzsäure + 25 mL Natronlauge
50 mL Propansäure + 50 mL Natronlauge
50 mL Propansäure + 5 mL Natronlauge
Die Fallen: Ein Puffer lässt sich auch durch teilweises Neutralisieren einer schwachen Säure oder Base herstellen — halb neutralisiert entsteht der beste Puffer (HÄP). Bei vollständiger Neutralisation bleibt nur die Base übrig, bei Salzsäure fehlt das schwache Paar. Mit wenig Natronlauge entsteht ein Puffer mit ungleichem Verhältnis — gegen Säure kaum belastbar.
Welche Teilchen liegen nach der Reaktion vor?
Rechnen Sie Stoffmengen: 5 mmol Säure und 2,5 mmol Lauge ergeben …?
A10
Puffer-Mythen
AFB III
Ein Referat über Puffer enthält Fehler. Überprüfen Sie die sechs Sätze.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Puffer sind weder neutral noch unerschöpflich — und die Rollen der Komponenten sind klar verteilt: Säure gegen Base, Base gegen Säure.
Was passiert mit dem Verhältnis HA : A⁻ beim Verdünnen?
