Leitungswasser ein Puffer?

Aufgabe

Leitungswasser ein Puffer?

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Abb. 1 Titrationskurve von Leitungswasser mit Natronlauge und Salzsäure-Lösung

In einem Experiment haben wir untersucht, wie sich der pH-Wert von Leitungswasser verändert, wenn wir eine saure bzw. eine basische Lösung hinzugeben. Zu diesem Experiment siehst du in Abbildung 1 die Titrationskurve von Leitungswasser mit Natronlauge ($\ce{NaOH}$) und Salzsäure-Lösung ($\ce{HCl}$) abgebildet.

a) Beschreibe jeweils die Titrationskurven und nenne Unterschiede.

b) Vergleiche die Titrationskurven mit den typischen Eigenschaften von Puffer-Titrationskurven. Deute die Titrationskurven daraufhin.

c) Erkläre, welche Ionen bzw. Reaktionen zu einer puffernden Wirkung des Leitungswassers führen können.

Leitungswasser besteht nicht rein aus Wasser. Es beinhaltet eine Menge gelöster Stoffe. Am häufigsten sind die folgenden Ionen und Gase im Leitungswasser gelöst:

Calcium $\ce{Ca^2+}$
Magnesium $\ce{Mg^2+}$
Natrium $\ce{Na+}$
Kalium $\ce{K+}$
Ammonium $\ce{NH4^+}$
Carbonat $\ce{CO3^2-}$
Hydrogencarbonat $\ce{HCO3^-}$
Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$

Die Edukte Wasser-Moleküle und Kohlenstoffdioxid-Molekül stehen im Gleichgewicht mit den Produkten Oxonium-Ion und Hydogencarbonat-Ion.

$\ce{2 H2O + CO2 <=> H3O+ + HCO3^-}$

Die Edukte Hydogencarbonat-Ion und Wasser-Molekül stehen im Gleichgewicht mit den Produkten Oxonium-Ion und Carbonat-Ion.

$\ce{HCO3^- + H2O <=> H3O^+ + CO3^2-}$

Die Edukte Calciumcarbonat-Molekül und Kohlenstoffdioxid-Molekül und Wasser-Molekül stehen im Gleichgewicht mit den Produkten Calcium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen.

$\ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca2+ + 2 HCO3^-}$

Die Edukte Magnesiumcarbonat-Molekül und Kohlenstoffdioxid-Molekül und Wasser-Molekül stehen im Gleichgewicht mit den Produkten Magnesium-Ionen und Hydrogencarbonat-Ionen.

$\ce{MgCO3 + CO2 + H2O <=> Mg^2+ + 2 HCO3^-}$

Denke weiter

In Abbildung 3 siehst du, in welchen Bundesländern Deutschlands das Leitungswasser eine höhere (dunkelblau) und niedrigere (hellblau) Wasserhärte hat. Je höher die Wasserhärte von Leitungswasser ist, desto mehr Calcium- und Magnesium-Ionen befinden sich im Wasser.

Wir haben Leitungswasser aus Flensburg in Schleswig-Holstein untersucht. Was für eine Titrationskurve würdest du in Bundesländern wie Sachsen-Anhalt oder Mecklenburg-Vorpommern erwarten, wenn du das Leitungswasser mit Salzsäure titrierst?

Je härter das Wasser, desto mehr Ionen, unter anderem Carbonat-Ionen, befinden sich im Wasser. Dadurch steigt die Pufferkapazität des Wassers. Der pH-Wert kann länger fast konstant gehalten werden. Die Titrationskurve müsste länger horizontal laufen.

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Vorlesen

a) Beide Titrationskurven beginnen bei einem pH-Wert von etwa 7.

Bei der Titration des Leitungswassers mit der Natronlauge steigt die Kurve direkt steil an. Bei etwa 1 ml Natronlauge liegt der pH-Wert bei etwa 10. Bei 2 ml Natronlauge steigt der pH-Wert auf fast 12. Danach bleibt der pH-Wert bei knapp über 12.

Bei der Titration von Leitungswasser mit Salzsäure-Lösung bleibt der pH-Wert trotz Zugabe der sauren Lösung zunächst bei etwa pH 7. Nach Zugabe von etwa 1 ml Salzsäure-Lösung fängt der pH-Wert an zu fallen. Bei 2 ml Zugabe der Salzsäure-Lösung liegt der pH-Wert bei etwa 2,5. Danach pendelt sich der pH-Wert bei etwa 2 ein.

b) Bei Puffer-Systemen ändert sich der pH-Wert trotz Zugabe einer sauren oder basischen Lösung zunächst fast gar nicht oder nur minimal. Typische Titrationskurven von Puffern verlaufen daher einige Zeit horizontal, bevor du eine Kurve mit einem pH-Sprung erkennen kannst (Äquivalenzpunkt).

Bei der Titration von Leitungswasser mit Salzsäure-Lösung verläuft die Titrationskurve ebenfalls kurz horizontal, in diesem Bereich ändert sich der pH-Wert der Lösung nur minimal. Danach gibt es einen pH-Sprung. Das Leitungswasser reagiert am Anfang der Titration als Puffer.

Bei der Titration mit Natronlauge verändert sich der pH-Wert der Lösung direkt. Daher kannst du keine puffernde Wirkung erkennen.

c) Im Leitungswasser sind Carbonat-Ionen vorhanden, die im Gleichgewicht mit Wasser-Molekülen und Hydrogencarbonat-Ionen sind.

Die Edukte Hydogencarbonat-Ion und Wasser-Molekül stehen im Gleichgewicht mit den Produkten Oxonium-Ion und Carbonat-Ion.

$\ce{HCO3^- + H2O <=> H3O^+ + CO3^2-}$

Erhöht sich die Konzentration der Oxonium-Ionen, reagieren diese mit den Carbonat-Ionen zu den Edukten. Das Gleichgewicht der Säure-Base-Reaktion gleicht sich wieder aus. Dadurch verändert sich der pH-Wert zunächst nicht oder nur minimal.

Zusätzlicher Fakt

Der Kohlensäure-Carbonat-Puffer, den du in dieser Aufgabe kennengelernt hast, ist der wichtigste Puffer des menschlichen Blutes. Das Gleichgewicht der Säure-Base-Reaktion kann durch Ein- und Ausatmen gesteuert werden. Ist das Blut zu sauer, atmest du mehr Kohlenstoffdioxid aus. Dadurch reagieren Oxonium- und Hydrogencarbonat-Ionen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Sinkt die Konzentration der Oxonium-Ionen, geht der pH-Wert des Blutes hoch.

Ist das Blut zu basisch, behält der Körper mehr Kohlenstoffdioxid ein und reduziert die Lungenaktivität. Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren zu Oxonium- und Hydrogencarbonat-Ionen. Der pH-Wert kann durch diese Hin- und Rückreaktionen nahezu konstant gehalten werden.

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Säuren und Basen