Pufferkapacitet: hvor meget syre kan en puffer tåle?
En puffer holder pH næsten konstant, når der tilsættes lidt syre eller base, men hvor meget kan den tåle? Eleverne fremstiller acetatpuffere af eddikesyre og natriumacetat i forskellige koncentrationer og blandingsforhold. Med pH-sensor og dråbetæller titrerer de med saltsyre og sammenligner med rent vand. Til sidst beregner de pufferkapaciteten og sammenligner med pufferligningen.
Hvordan afhænger en acetatpuffers kapacitet af koncentrationen og af forholdet mellem syre og base, og passer start-pH med pufferligningen?
Det skal I bruge
| Vare | Varenr. | Antal og formål |
|---|---|---|
| pH-sensor, trådløs (PASCO PS-3204) | PS-3204 | 1 pr. gruppe |
| Dråbetæller, trådløs (PASCO PS-3214) | PS-3214 | 1 pr. gruppe |
| Burette 50 ml med hane | 001600 | 1 pr. gruppe |
| Burettestativ | 802077 | 1 pr. gruppe |
| Magnetomrører, økonomi | 200000 | 1 pr. gruppe |
| Eddikesyre 1 M (1 liter) | 824400-4 | Eddikesyre 1 M, til stamopløsning |
| Natriumacetat trihydrat (1 kg), ren | 817801-4 | Natriumacetat trihydrat, til stamopløsning |
| Saltsyre 0,100 M (1 liter) | 823200 | Saltsyre 0,100 M, ca. 100 ml pr. gruppe |
| Natriumhydroxid 0,100 M (1 liter) | 818600-4 | Natriumhydroxid 0,100 M (valgfri, til titrering med base) |
| Målekolbe med prop, 500 ml | 103040 | 2 pr. klasse, til stamopløsninger |
| Fuldpipette 25 ml | 104540 | 1 pr. gruppe |
| Pipettebold, sikkerhedsmodel (safety bulb) | 001652 | 1 pr. gruppe |
| Bægerglas 250 ml (12 stk.) | 100020 | 4 pr. gruppe |
| Vand, demineraliseret (1 l) | 826000-4 | Demineraliseret vand |
| Beskyttelsesbriller, komfort | 910020 | 1 pr. elev |
| Nitrilhandsker, Medium (100 stk.) | 902211 | Til arbejdet med syrer og baser |
| SPARKvue 5 (gratis download) | 900902 | Gratis app til tablet eller computer |
Andet udstyr: magnetstang til omrøreren; vaskeflaske med demineraliseret vand; pufferopløsninger pH 4 og pH 7 til kalibrering af pH-sensoren; computer med SPARKvue eller Capstone.
Sikkerhed
Eddikesyre 1 M og saltsyre 0,100 M irriterer øjne og hud. Brug beskyttelsesbriller og handsker, og skyl med rigeligt vand ved stænk. Pipettér aldrig med munden: brug pipettebold. Natriumhydroxid er ætsende for øjnene, også i lave koncentrationer. Stamopløsningerne laves af læreren eller under opsyn. Neutraliserede rester kan hældes i vasken med rigeligt vand. Læreren skal følge skolens retningslinjer og sikkerhedsdatabladene.
Sådan gør I
- Lav stamopløsninger (kan laves af læreren): 0,50 M eddikesyre og 0,50 M natriumacetat (6,80 g natriumacetat trihydrat i 100 ml).
- Lav fire opløsninger på 50 ml i hver sit bægerglas: A) 25 ml eddikesyre + 25 ml acetat (0,25 M af hver), B) A fortyndet 1:4 med vand, C) 10 ml eddikesyre + 40 ml acetat, D) 50 ml demineraliseret vand.
- Kalibrér pH-sensoren med pH 4 og pH 7. Fyld buretten med 0,100 M saltsyre, og sæt dråbetælleren under. Kalibrér dråbetælleren, så den regner dråber om til ml.
- Stil glas A på magnetomrøreren, sæt pH-elektroden og magnetstangen i, og lav en graf med pH som funktion af volumen.
- Start målingen, og åbn hanen, så der kommer 1-2 dråber pr. sekund. Tilsæt ca. 25 ml syre, eller til pH er faldet mere end to enheder. Stop målingen.
- Gentag med B, C og D. Skyl elektroden mellem hver måling.
- Bestem for hver opløsning start-pH og det volumen syre, der skal til for at sænke pH med én enhed. Beregn pufferkapaciteten β = n(HCl) / (V_puffer · ΔpH), og sammenlign start-pH med pufferligningen pH = pKa + log(c_base/c_syre).
Med PASCO-sensor
Den trådløse pH-sensor (PS-3204) og dråbetælleren (PS-3214) giver en titrerkurve med pH som funktion af tilsat volumen, uden at eleverne skal aflæse buretten. Alle fire kurver kan lægges i samme graf i SPARKvue eller Capstone, så forskellen mellem vand og puffere ses med det samme. Data kan eksporteres til regneark eller Python.
Hvad sker der?
En acetatpuffer indeholder både den svage syre eddikesyre (CH3COOH) og den korresponderende base acetat (CH3COO-). Tilsættes saltsyre, reagerer oxoniumionerne med acetat og danner eddikesyre. Derfor ændrer pH sig kun lidt, så længe der er acetat tilbage.
Start-pH bestemmes af pufferligningen pH = pKa + log(c_base/c_syre), hvor pKa for eddikesyre er 4,76. Puffer A og B har samme forhold og derfor samme start-pH, men B har kun en fjerdedel af koncentrationen og tåler derfor kun omkring en fjerdedel så meget syre. Puffer C har mere base og højere start-pH.
Pufferkapaciteten er størst, når syre og base er til stede i lige store mængder (pH = pKa), og den vokser med den samlede koncentration. I rent vand er der intet til at opfange oxoniumionerne, så pH falder brat ved de første dråber.
Spørgsmål til eftertanke
- Hvordan passede start-pH med pufferligningen for A, B og C?
- Hvor meget syre skulle der til for at sænke pH med én enhed i hver opløsning?
- Hvordan afhænger pufferkapaciteten af koncentrationen?
- Hvorfor faldt pH så hurtigt i rent vand?
- Hvor finder man puffere i kroppen og i naturen, og hvorfor er de vigtige?
Til læreren
Med 50 ml puffer A (0,25 M af hver) skal der langt over 25 ml 0,100 M saltsyre til for at sænke pH én enhed, så puffer A viser næsten en flad kurve. Puffer B giver et tydeligere fald, og vand falder fra ca. 6-7 til under 3 ved de første milliliter. Vil man se hele pufferens udtømning, kan man bruge 1 M saltsyre til puffer A, eller fortynde mere.
Stamopløsningerne kan med fordel laves af læreren før timen. Kalibrér dråbetælleren med buretten ved at lade fx 10 ml løbe igennem.
Forsøget kan udvides med titrering med 0,100 M natriumhydroxid eller med en citronsyre/citrat-puffer, og det kan kobles til blodets pH og til havforsuring.
Vejledningen er udarbejdet af LabDidakt. Læreren skal altid selv vurdere sikkerheden ved forsøget i sin klasse og følge skolens retningslinjer og sikkerhedsdatabladene for de kemikalier, der bruges.
