Säuren-Basen-Gleichgewichte

Interaktiver Rechner für Säuren-Basen-Gleichgewichte, ICE-Tabellen und Henderson-Hasselbalch-Gleichung

ICE-Tabelle (Initial-Change-Equilibrium)

Berechnen Sie das Gleichgewicht einer schwachen Säure/Base mit der ICE-Methode.

Essigsäure: 1.8e-5, Ameisensäure: 1.8e-4, Blausäure: 6.2e-10

Puffersysteme

Berechnen Sie den pH eines Puffers mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung.

pH = pKₐ + log₁₀([A⁻]/[HA])

Essigsäure: 4.76, Ameisensäure: 3.75, Blausäure: 9.21

🧪 Puffer-Ansatz: Gewünschten pH einstellen

Berechnen Sie das benötigte Verhältnis [A⁻]/[HA], um einen Puffer mit einem bestimmten pH-Wert herzustellen.

Gängige Puffer

Acetatpuffer

Säure: Essigsäure (CH₃COOH)

Base: Acetat (CH₃COO⁻)

pKₐ: 4.76

Bereich: pH 3.76 - 5.76

Phosphatpuffer

Säure/Base: H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻

pKₐ: 7.21

Bereich: pH 6.21 - 8.21

Anwendung: Physiologischer Bereich

Ammoniumpuffer

Säure: Ammonium (NH₄⁺)

Base: Ammoniak (NH₃)

pKₐ: 9.25

Bereich: pH 8.25 - 10.25

Carbonatpuffer

Säure: Hydrogencarbonat (HCO₃⁻)

Base: Carbonat (CO₃²⁻)

pKₐ: 10.33

Bereich: pH 9.33 - 11.33

Anwendung: Meerwasserpuffer

TRIS-Puffer

Säure: TRIS·H⁺ (C₄H₁₁NO₃)

Base: TRIS (C₄H₁₁NO₃)

pKₐ: 8.07

Bereich: pH 7.07 - 9.07

Anwendung: Molekularbiologie

Formiatpuffer

Säure: Ameisensäure (HCOOH)

Base: Formiat (HCOO⁻)

pKₐ: 3.75

Bereich: pH 2.75 - 4.75

Anwendung: HPLC-Puffer

Massenwirkungsgesetz (MWG)

Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante und Reaktionsrichtung.

Kₐ = [H⁺][A⁻] / [HA]

K_b = [BH⁺][OH⁻] / [B]

Reaktion eingeben:

Beispiel: HA ⇌ H⁺ + A⁻

Beispiele für Gleichgewichte

Starke Säure (HCl)

HCl ⇌ H⁺ + Cl⁻

Kₐ: Sehr groß (≈ 10⁷)

Dissoziationsgrad: α ≈ 100%

Schwache Säure (CH₃COOH)

CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO⁻

Kₐ: 1.8 × 10⁻⁵

Dissoziationsgrad: α ≈ 1.3%

Theoretische Grundlagen

📊 ICE-Tabelle

Die ICE-Tabelle (Initial-Change-Equilibrium) ist eine Methode zur systematischen Lösung von Gleichgewichtsproblemen:

  • I (Initial): Ausgangskonzentrationen vor Reaktion
  • C (Change): Änderung bis zum Gleichgewicht (angezeigt als x)
  • E (Equilibrium): Endkonzentrationen im Gleichgewicht

[HA]₀ = x

[HA]eq = [HA]₀ - x

[H⁺] = [A⁻] = x

🧪 Henderson-Hasselbalch

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung verbindet pH, pKₐ und die Konzentrationen von Säure und Base:

pH = pKₐ + log₁₀([A⁻]/[HA])

Anwendung: pH von Puffern berechnen

Bedingung: [A⁻] = [HA] → pH = pKₐ

Bedingung: [A⁻] = 10[HA] → pH = pKₐ + 1

⚖️ Reaktionsquotient Q

Der Reaktionsquotient Q bestimmt die Reaktionsrichtung:

Q = [Produkte]/[Edukte]

  • Q < Kₐ: Reaktion läuft in Richtung Produkte →
  • Q = Kₐ: Gleichgewicht erreicht ⇌
  • Q > Kₐ: Reaktion läuft in Richtung Edukte ←

📐 Näherungsmethoden

Wenn x sehr klein ist gegenüber der Anfangskonzentration:

Kₐ ≈ x²/([HA]₀)

x ≈ √(Kₐ × [HA]₀)

Gültigkeitskriterium: x < 5% von [HA]₀

Wenn nicht erfüllt, muss die quadratische Gleichung gelöst werden:

Kₐ = x²/([HA]₀ - x)

💧 Pufferkapazität

Die Pufferkapazität gibt an, wie viel Säure oder Base ein Puffer ohne signifikante pH-Änderung aufnehmen kann:

Optimal: [A⁻] = [HA]

Effektiver Bereich: pKₐ ± 1

Berechnung:

β = 2.303 × C × ([HA][A⁻]/([HA] + [A⁻]))²

Wobei C = Gesamtkonzentration