Pufferlösungen im virtuellen Labor: pH und Pufferkapazität

Aktualisiert am 2026-10-06

Dieses Material untersucht Pufferlösungen im virtuellen Labor und folgt den Laboren von AP Chemistry zum Herstellen und Testen eines Puffers. Die Lernenden geben Tropfen starker Säure und starker Base in zwei nebeneinanderstehende Bechergläser: destilliertes Wasser und einen Puffer. Dann ändern sie jeweils eine Größe. Das Verhältnis von Baseform zu Säureform verändert den Anfangs-pH des Puffers, und die Gesamtkonzentration verändert, wie viel Säure der Puffer aufnehmen kann, bevor er versagt. Jeder Tropfen aktualisiert beide pH-Meter, ein Diagramm pH-Wert gegen Tropfen und Balken für die beiden Pufferkomponenten. Die Lernenden gehen mit den zwei Regeln für einen wirksamen Puffer und den Daten, die sie belegen, aus der Stunde.

Pufferlösungen – warum ändert sich der pH-Wert kaum?

Lehrplanbezug

AP Chemistry Unit 8, Topics 8.8 Properties of Buffers (SAP-10.B), 8.9 Henderson–Hasselbalch Equation (SAP-10.C) und 8.10 Buffer Capacity (SAP-10.D), sowie die Labore von AP Chemistry zum Herstellen eines wirksamen Puffers und zur Pufferwirkung.
Das Material passt auch zu den Pufferthemen von IB Chemistry und A-level Chemistry.

Simulic ist weder mit dem College Board noch mit AQA verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt. In Deutschland passt das Material zu Puffersystemen und zur Henderson-Hasselbalch-Gleichung in der Oberstufe Chemie.

Vor dem Experiment (5 min)

Geben Sie den Lernenden eine Tatsache vor und bitten Sie um eine Vorhersage:

„10 Tropfen HCl (2 M) bringen 50 mL destilliertes Wasser von pH 7,00 auf pH 1,70. Dieselben 10 Tropfen kommen in 50 mL eines Acetatpuffers mit pH 4,76. Wie weit fällt der pH-Wert des Puffers?“

Bieten Sie vier Antworten an: weniger als 0,5 Einheiten, etwa 2 Einheiten, etwa 5 Einheiten oder gar keine Änderung.

Durchführung in der Simulation

Jeder Tropfen besteht aus 0,05 mL einer 2-M-Lösung (0,1 mmol). Die Schaltflächen +10 Tropfen geben die Tropfen nacheinander zu; warten Sie, bis alle gelandet sind, bevor Sie ablesen.

Teil 1: Wasser gegen Puffer

Wählen Sie den Puffer CH₃COOH / CH₃COO⁻. Stellen Sie die Gesamtkonzentration auf 0,10 M und das Verhältnis auf 1,0.
Klicken Sie auf +10 Tropfen HCl. Notieren Sie pH-Wert und ΔpH beider Bechergläser.
Klicken Sie auf Zurücksetzen und dann auf +10 Tropfen NaOH. Notieren Sie erneut.

Teil 2: Was bestimmt den pH-Wert?

Bleiben Sie bei 0,10 M. Stellen Sie das Verhältnis auf 0,1, dann auf 1,0, dann auf 10. Notieren Sie jedes Mal den Anfangs-pH, geben Sie dann 10 Tropfen HCl zu und notieren Sie ΔpH.

Teil 3: Was bestimmt die Kapazität?

Stellen Sie das Verhältnis auf 1,0. Geben Sie bei Gesamtkonzentrationen von 0,05, 0,10 und 0,20 M die HCl in drei Schritten zu je 10 Tropfen zu und notieren Sie nach jedem Schritt den pH-Wert des Puffers. Notieren Sie, wann die Simulation meldet, dass die Pufferkapazität erschöpft ist.

Gesamtkonz. (M)	pH nach 10 Tropfen	pH nach 20 Tropfen	pH nach 30 Tropfen
0,05
0,10
0,20

Erwartete Ergebnisse

Alle Werte stammen aus der Simulation (Acetatpuffer, 50 mL je Becherglas).

Teil 1. Zehn Tropfen HCl bringen das Wasser von 7,00 auf 1,70 (ΔpH −5,30) und den Puffer von 4,76 auf 4,39 (ΔpH −0,37). Zehn Tropfen NaOH bringen das Wasser auf 12,30 und den Puffer auf 5,13. Die Änderung beim Puffer ist etwa 14-mal kleiner.

Teil 2.

Verhältnis [CH₃COO⁻]/[CH₃COOH]	0,1	1,0	10
Anfangs-pH	3,77	4,76	5,76
ΔpH nach 10 Tropfen HCl	−1,81	−0,37	−0,61

Der Anfangs-pH folgt pH = pKa + lg(Verhältnis). Bei einem Verhältnis von 0,1 gibt es nur 0,45 mmol Baseform, daher verbraucht 1,0 mmol Säure sie vollständig, und der pH-Wert fällt auf 1,96. Der Puffer wirkt am besten bei einem Verhältnis nahe 1.

Teil 3.

Gesamtkonz. (M)	10 Tropfen	20 Tropfen	30 Tropfen
0,05	3,82	1,83	1,47
0,10	4,39	3,81	2,01
0,20	4,58	4,39	4,16

Alle drei Puffer beginnen bei pH 4,76. Laut der Kapazitätszeile der Simulation können die Puffer mit 0,05, 0,10 und 0,20 M etwa 12, 25 und 50 Tropfen Säure aufnehmen. Eine Verdopplung der Konzentration verdoppelt die Kapazität und halbiert ΔpH bei gleicher Zugabe ungefähr.

Fragen für die Lernenden

(Vorhersage, nach dem Experiment erneut gestellt) Wie weit fällt der pH-Wert des Puffers nach 10 Tropfen HCl?
Welche Variablen müssen in Teil 3 gleich bleiben?
Welchen pH-Wert hat der 0,10-M-Puffer mit Verhältnis 1,0 nach 10 Tropfen HCl?
Wie groß ist beim 0,20-M-Puffer die pH-Änderung nach 10 Tropfen HCl?
Welche Schlussfolgerung passt zu Ihren Daten?

Antworten für Lehrkräfte: (1) Weniger als 0,5 Einheiten (er fällt um 0,37). (2) Das Pufferpaar, das Verhältnis und die Zahl der Tropfen. (3) 4,39 (akzeptiert 4,37–4,41). (4) 0,18 (akzeptiert 0,16–0,20, mit oder ohne Minuszeichen), die Hälfte der Änderung um 0,37 bei 0,10 M. (5) Das Verhältnis bestimmt den pH-Wert; die Gesamtkonzentration bestimmt die Kapazität.

Häufige Fehlvorstellungen

„Ein Puffer hält den pH-Wert konstant.“ Er verlangsamt die Änderung nur. Jeder Tropfen verschiebt den pH-Wert ein wenig, und jenseits der Kapazität fällt er schnell.
„Ein konzentrierterer Puffer hat einen niedrigeren pH-Wert.“ Bei festem Verhältnis beginnen alle drei Konzentrationen bei 4,76. Die Konzentration ändert die Kapazität, nicht den pH-Wert.
„Jedes Verhältnis funktioniert, solange das Paar stimmt.“ Bei einem Verhältnis von 0,1 versagt der Puffer nach weniger als 5 Tropfen Säure.

Erweiterung

Einen Puffer entwerfen: Verlangen Sie einen Puffer mit pH 7,4, der mindestens 30 Tropfen HCl aufnimmt. Die Lernenden wählen das Phosphatpaar (pKa 7,21), stellen ein Verhältnis nahe 1,5 ein und erhöhen die Gesamtkonzentration, bis die Kapazitätszeile 30 Tropfen erlaubt.
Blut: Wählen Sie den Blutpuffer (HCO₃⁻/H₂CO₃ = 20). Die Lernenden vergleichen, wie viele Tropfen Säure und wie viele Tropfen Base er aufnimmt, und erklären, warum der Körper zusätzlich Lunge und Nieren braucht.

Häufige Fragen

Verwenden die pH-Werte die Henderson-Hasselbalch-Gleichung?

Die Simulation zeigt beides. Der angezeigte pH-Wert stammt aus einer exakten Ladungsbilanz, daher bleibt er auch dann korrekt, wenn der Puffer erschöpft ist und die Henderson-Hasselbalch-Gleichung nicht mehr gilt.

Warum ist der pH-Wert des Wassers genau 7,00?

Das Modell nimmt an, dass das Wasser kein CO₂ aus der Luft aufnimmt. Echtes destilliertes Wasser liegt oft bei etwa pH 5,6, was einen guten Gesprächsanlass bietet.

Können die Lernenden Haushaltsprodukte testen?

Nicht in dieser Simulation: Sie hat vier Pufferpaare und reines Wasser. Führen Sie die Untersuchung von Haushaltsprodukten als echten Laborversuch durch und erklären Sie die Ergebnisse mit dieser Simulation.