pH eines Phosphatpuffers 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°C?

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? Was geschieht, wenn man diese Lösung in einen stark oxidierenden Zustand versetzt?

phosphatpuffer_input_1

Zu Aufgabe 1

Wir beginnen mit H2O (Taste New) und öffnen das Reaktions-Modul (Taste Reac). In die Eingabemaske wird eingetragen: 4 mM KH2PO4 und 26 mM K2HPO4 – siehe rechtes Bild.

Mit Klick auf die Start-Taste erscheint das Ergebnis

  pH = 7.70

In Worten: Der 0.03 molare Phosphatpuffer besitzt einen pH-Wert von 7.70 (bei 25°C).

Phosphatpuffer_input_2

Zu Aufgabe 2

Wir wiederholen die Rechnung, geben 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 – wie im Bild rechts.

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

Puffer + 1 mM NaOH: 7.70 ⇒ 7.84   ( H2O + 1 mM NaOH: 7.00 ⇒ 10.98 )
Puffer + 1 mM HCl: 7.70 ⇒ 7.59   ( H2O + 1 mM HCl: 7.00 ⇒ 3.01 )
Puffer + atmosph. CO2: 7.70 ⇒ 7.66   ( H2O + atmosph. CO2: 7.00 ⇒ 5.61 )

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

Phosphatpuffer_plus_FeCl2_FeCl3

Zu Aufgabe 3

Mit dieser Aufgabe soll der Einfluss des Redoxpotenzials und der Minerallfällung 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:

vor der Fällung: pH = 7.42
nach der Fällung: pH = 7.56

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

Man erkennt: Von der Gesamtmenge an Fe (hier 2 mM), die der Pufferlösung zugegeben wurde, 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.

Phosphatpuffer_inp_FeCl2_FeCl3

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

Die entsprechende Dateneingabe ist einfach und wird im rechten Bild gezeigt. Wir haben vier Reaktanten (wobei 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)

Phosphatpuffer_plus_FeCl2_FeCl3_oxy

Das Ergebnis ist im rechten Screenshot zu sehen. Der Hauptunterschied zur vorangegangenen Lösung 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.

[Randbemerkung: 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

  1. pe = 4 ist sozusagen der Standard-Parameter (default) für das Redoxpotenzial in PhreeqC.

  2. Die Ergebnisse sind relativ unabhängig vom exakten pe-Wert, wenn man pe > 8 wählt. Dies ist der pe-Bereich, der oxidative Wässer charakterisiert.

  3. Der Wert von 0.25 mM für die O2-Zugabe wird z.B. in den Ausgabetabellen des Programms angegeben.

[last modified: 2015-05-04]