pH, Puffer, Säuren und Basen | Einführung in die Chemie

Lernziel

Erklären Sie die Zusammensetzung von Pufferlösungen und wie sie einen konstanten pH-Wert aufrechterhalten

Schlüsselpunkte

Eine Grundlösung hat einen pH-Wert über 7,0, während eine saure Lösung einen pH-Wert unter 7,0 hat.,
Puffer sind Lösungen, die eine schwache Säure und eine konjugierte Base enthalten; Als solche können sie überschüssige H+– Ionen oder OH-Ionen absorbieren, wodurch ein insgesamt stetiger pH-Wert in der Lösung aufrechterhalten wird.
pH ist gleich dem negativen Logarithmus der Konzentration von H+ – Ionen in Lösung: pH = – log.,

Pufferlösung bestehend aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base, die zur Stabilisierung des pH-Werts einer Lösung verwendet werden kann

alkalinaving a pH größer als 7; basic

acidichaving a pH kleiner als 7

Selbstionisierung von Wasser

Wasserstoffionen werden spontan in reinem Wasser erzeugt.durch die Dissoziation (Ionisation) eines kleinen Prozentsatzes von Wassermolekülen in gleiche Anzahl von Wasserstoff (H+)– Ionen und Hydroxid (OH -) – Ionen., Die Hydroxidionen bleiben aufgrund ihrer Wasserstoffbindungen mit anderen Wassermolekülen in Lösung; Die Wasserstoffionen, die aus nackten Protonen bestehen, werden sofort von nicht ionisierten Wassermolekülen angezogen und bilden Hydroniumionen (H30+). Per Konvention beziehen sich Wissenschaftler auf Wasserstoffionen und ihre Konzentration, als wären sie in diesem Zustand in flüssigem Wasser frei.

2H_2O \ leftrightharpoons H_3O^+ + OH^ –

Die Konzentration von Wasserstoffionen, die von reinem Wasser dissoziieren, beträgt 1 × 10-7moles H + Ionen pro Liter Wasser., Der pH-Wert wird als Negativ des Logarithmus der Base 10 dieser Konzentration berechnet:

pH = -log

Das negative Log von 1 × 10-7 ist gleich 7,0, was auch als neutraler pH-Wert bezeichnet wird. Menschliche Zellen und Blut halten jeweils einen nahezu neutralen pH-Wert aufrecht.

pH-Skala

Der pH-Wert einer Lösung zeigt ihre Säure oder Basizität (Alkalität) an. Die pH-Skala ist ein inverser Logarithmus, der von 0 bis 14 reicht: Alles unter 7,0 (von 0,0 bis 6,9) ist sauer und alles über 7,0 (von 7,1 bis 14,0) ist basisch (oder alkalisch). Extreme in pH in beide Richtungen von 7.,Sie gelten normalerweise als unwirtlich für das Leben. Der pH-Wert in den Zellen (6,8) und das Blut (7,4) sind beide sehr nahe an neutral, während die Umgebung im Magen ist sehr sauer, mit einem pH-Wert von 1 bis 2.

Nicht neutrale pH-Werte ergeben sich aus dem Auflösen von Säuren oder Basen in Wasser., Unter Verwendung des negativen Logarithmus zur Erzeugung positiver Ganzzahlen ergeben hohe Konzentrationen von Wasserstoffionen einen niedrigen pH-Wert und niedrige Konzentrationen einen hohen pH-Wert.

Eine Säure ist eine Substanz, die die Konzentration von Wasserstoffionen (H+) in einer Lösung erhöht, normalerweise durch Dissoziieren eines ihrer Wasserstoffatome. Eine Base liefert entweder Hydroxidionen (OH -) oder andere negativ geladene Ionen, die mit Wasserstoffionen in Lösung reagieren, wodurch die Konzentration von H+ reduziert und der pH-Wert erhöht wird.

Starke Säuren und starke Basen

Je stärker die Säure ist, desto leichter spendet sie H+., Zum Beispiel ist Salzsäure (HCl) sehr sauer und dissoziiert vollständig in Wasserstoff– und Chloridionen, während die Säuren in Tomatensaft oder Essig nicht vollständig dissoziieren und als schwache Säuren gelten; Umgekehrt spenden starke Basen leicht OH-und/oder reagieren mit Wasserstoffionen. Natriumhydroxid (NaOH) und viele Haushaltsreiniger sind sehr basisch und geben OH– schnell auf, wenn sie in Wasser gegeben werden; Die OH– Ionen reagieren mit H+ in Lösung, wodurch neue Wassermoleküle entstehen und die Menge an freiem H+ im System gesenkt wird, wodurch der Gesamt-pH-Wert erhöht wird., Ein Beispiel für eine schwache Grundlösung ist Meerwasser mit einem pH-Wert von 8,0, das nahe genug ist, um sicherzustellen, dass gut angepasste Meeresorganismen in dieser alkalischen Umgebung gedeihen.

Puffer

Wie können Organismen, deren Körper einen nahezu neutralen pH-Wert benötigen, saure und basische Substanzen (zum Beispiel einen menschlichen Orangensaft) aufnehmen und überleben? Puffer sind der Schlüssel. Puffer bestehen normalerweise aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base; Dies ermöglicht ihnen, überschüssiges H+ oder OH– leicht zu absorbieren und den pH-Wert des Systems in einem engen Bereich zu halten.,

Die Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes im Blut ist entscheidend für das Wohlbefinden einer Person. Der Puffer, der den pH-Wert des menschlichen Blutes aufrechterhält, umfasst Kohlensäure (H2CO3), Bikarbonat– Ionen (HCO3 -) und Kohlendioxid (CO2). Wenn sich Bicarbonat-Ionen mit freien Wasserstoffionen verbinden und zu Kohlensäure werden, werden Wasserstoffionen entfernt, wodurch sich der pH-Wert ändert., In ähnlicher Weise kann überschüssige Kohlensäure in Kohlendioxidgas umgewandelt und durch die Lunge ausgeatmet werden; Dies verhindert, dass sich zu viele freie Wasserstoffionen im Blut ansammeln und seinen pH– Wert gefährlich reduzieren; ebenso, wenn zu viel OH-in das System eingeführt wird, wird Kohlensäure sich mit ihm verbinden, um Bikarbonat zu erzeugen, wodurch der pH-Wert gesenkt wird. Ohne dieses Puffersystem würde der pH-Wert des Körpers genug schwanken, um das Überleben zu gefährden.,

Puffer im Körperdieses Diagramm zeigt die Pufferung des Blut-pH-Spiegels durch den Körper: Die blauen Pfeile zeigen den Prozess der Erhöhung des pH-Werts, wenn mehr CO2 erzeugt wird; Die violetten Pfeile zeigen den umgekehrten Vorgang an und senken den pH-Wert, wenn mehr Bicarbonat erzeugt wird.

Antazida, die überschüssige Magensäure bekämpfen, sind ein weiteres Beispiel für Puffer., Viele rezeptfreie Medikamente wirken ähnlich wie Blutpuffer, oft mit mindestens einem Ion (normalerweise Carbonat), das Wasserstoff absorbieren und den pH-Wert moderieren kann, was denjenigen, die nach dem Essen an „Sodbrennen“ durch Magensäure leiden, Erleichterung verschafft.