von Dirk Hockemeyer

und Thomas Sandmann

Betreuer: Stefan Broer
 

Aufgabe 1)

Diagramm A: Einstellung des Gleichgewichts beim Begasen einer 25mM Natriumhydrogencarbonatlösung mit 5% CO₂ in Stickstoff.

Diagramm B: Begasen einer Lösung der gleichen Zusammensetzung mit Atemluft.

Diagramm C: Zugabe von 1 ml 0,1M Essigsäurelösung zu einer Lösung der oben genannten Zusammensetzung.

Aufgabe 2)

Berechnet werden soll der pK_së-Wert des offenen Puffersystems Kohlensäure-Hydrogencarbonat.

Dabei kann von Gleichung (13) ausgegangen werden:
 

Dafür muß die Gleichgewichtskonzentration des Hydrogencarbonat-Ions bekannt sein.

Um diese zu berechnen, wird zunächst über den Anfangs-pH-Wert 8,59 der Lösung die Protonenkonzentration berechnet.

[H⁺] = 2,57 ^. 10^-9 mol/l

Geht man vom pH-Wert von 7 des destillierten Wassers aus, sind einige Protonen durch die Reaktion mit Hydrogencarbonat zu Kohlensäure verlorengegangen.

Es ergibt sich eine Ausgangskonzentration an Hydrogencarbonationen von

[HCO₃^-] = 24,9999 mol/l.

Nach Einstellung des Gleichgewichts erhält man einen pH-Wert von 7,51. Das entspricht einer Protonenkonzentration von

[H⁺] = 3,09 ^. 10^-8 mol/l.

Es sind Protonen durch die Reaktion von CO₂ und Wasser zu Kohlensäure und deren Dissoziation hinzugekommen. Dabei wurde pro Proton ein Hydrogencarbonat-Ion gebildet, so daß die Gleichgewichtskonzentration berechnet werden kann:

[HCO₃^-]_GG= [HCO₃^-]_Anfang + D [H⁺] = 24,9999 ^. 10^-3 mol/l.

Die eingesetzte Konzentration von 25mmol/l hat sich kaum geändert. Deshalb kann ohne größeren Fehler mit der Ausgangskonzentration gerechnet werden.

Mit Gleichung (13) ergibt sich sich ein pK_së-Wert von 6,16.

Aufgabe 3)

Wie bei Aufgabe 2 muß zur Bestimmung des CO₂-Gehaltes wieder die Gleichgewichtskonzentration des Hydrogencarbonat-Ions bestimmt werden. Auch hier kann mit 25mmol/l gerechnet werden, da wir uns in der gleichen Ausgangslösung im gleichen pH-Bereich bewegen.

Bei angestrengtem Ausatmen konnte als niedrigster pH-Wert 7,53 erreicht werden. Deshalb wird dieser Wert zur Rechnung benutzt.

Mit Gleichung (12) ergibt sich: pCO₂= 35,43 torr
 
 

Aufgabe 4)

1. Bei Zugabe von 1 ml 0,1 M Essigsäure zum System ohne Gaseinleitung (geschlossenes System) ändert sich der pH-Wert um 0,49 Einheiten. Wird dann der Gasfluß eingeschaltet (offenes System), nähert er sich wieder dem Ausgangswert an; die Ÿnderung ist nur noch 0,07 Einheiten groß.


Damit ergibt sich nach Gleichung (1) :
 




P = D H⁺/D pH


 




die gemessene Pufferkapazität (siehe Tabelle).

2. Die theoretische Pufferkapazität ist als reziproke Steigung der Neutralisationskurve am Punkt der Säure- bzw. Basenzugabe derfiniert, damit ergibt sich nach Gleichung 4:





 




Dabei ist K_a in unserem Fall K_s = 6,1 und [H⁺] die Protonenkonzentration im Gleichgewicht vor Säurezugabe.

3. Die erwartete Pufferkapazität ergibt sich aus der Henderson-Hasselbalch-Gleichung, wenn man den pH-Wert errechnet, der sich nach der Zugabe von 0,1 mmol Protonen einstellt. Da dabei diese Menge an Hydrogencarbonat verbraucht wird, wird von den 6,25^.10^-4 mol (entspricht der Ausgangsstoffmenge der 25 mM Lösung in 25 ml) 0,1 mmol abgezogen. Dieselbe Menge wird zur gelösten CO₂-Menge addiert.

 

 
 

Man erhält folgende Gleichung:



Damit ergibt sich in unserem Fall mit einer gelösten CO₂-Menge von

2,8219 ^. 10 ^-5 mol folgende Gleichung:



für das geschlossene System bzw.



für das offene System.

Damit erhalten wir eine pH-Differenz vom Gleichgewichtswert 7,5 von

Geschlossenes System: 0,74

Offenes System:0,1.

Nach Gleichung (1) können nun die Pufferkapazitäten bestimmt werden (siehe Tabelle).

4. Die praktische Pufferkapazität ist die Menge an H⁺ / OH^- pro Liter, die zugegeben werden muß, bis sich der pH-Wert um eine Einheit ändert. Um sie zu bestimmen wird die Henderson-Hasselbalch-Gleichung in der in 3. Benutzten Form nach [H⁺] umgestellt.

geschlossene System:

 

	D H+/D pH gemessen im Experiment	D H+/D pH (erwartet) (HH-Gleichung)	D H+/(D pH=1) (praktisch) (HH-Gl.)	dH+/dpH (theoretisch) (Gl. 4)
Geschlossen	7,85.10-3 mol/l	5,2.10-3 mol/l	6,75.10-3 mol/l	2,1 .10-3 mol/l
Offen	0,055 mol/l	0,038 mol/l	0,026 mol/l	-------------------

 

Aufgabe 5)

Die erwartete und die gemessene Pufferkapazität sollten natürlich schon übereinstimmen, allerdings können bei der Messung verschiedene Fehlerquellen aufgetreten sein:

• Falsches Eichen der Meßelektrode
• Pipettierfehler und daraus resultierende Konzentrationsabweichungen (besonders wahrscheinlich, da im Vergleich zu den anderen Gruppen ein sehr hoher pH-Wert, sowohl als Ausgangswert als auch während der Messung, aufgetreten ist.)

• Nach Zugabe der Säure zu früh gemessen: kein Gleichgewicht
• Kein wirklich geschlossenes System
• Schwankungen in der CO₂-Menge durch Auf- und Zudrehen der verschiedenen Hähne im Versuchssaal

• Verunreinigungen im destillierten Wasser (z.B. durch CO₂)

Aufgabe 1)
 
 

Erklärung der Linien:

• Bis A: Cytochrom c-Lösung und Wasser, Ÿquilibierungsphase
• A: Zugabe von 0,06 ml frischer Ascorbinsäurelösung

• B: Zugabe von 0,04 ml Cytochromoxidase-Lösung

• C: Zugabe von 0,04 ml Ascorbinsäurelsg.

• D: Erneute Zugabe von 0,04 ml Ascorbinsäurelsg.

• E: Zugabe von 0,04 ml KCN-Lsg.

• F: Zugabe von 0,04 ml Kaliumhexacyanoferrat.

Am Ende des Versuches wird Kaliumhexacyanoferrat im Überschuß zugegeben. Alle reduzierten Formen werden daraufhin oxidiert. Es ist davon auszugehen, daß nun alles Cytochrom c oxidiert worden ist. Hier wird eine Extinktion von 0,384 gemessen.

Vollständig reduziert ist das Cytochrom nicht nach der ersten Zugabe von Ascorbinsäurelösung, obwohl der Peak hier am höchsten zu sein scheint. Berücksichtigt man aber die Verdünnung (siehe unten), indem man die Extinktion mit dem Volumen multipliziert, erhält man eine Extinktion in Abhängigkeit von der Stoffmenge, die an Punkt F (vor der Zugabe von Hexacyanoferrat) am höchsten ist. Allerdings steigt die Extinktion noch ganz leicht an, so daß noch nicht die gesamte Menge umgesetzt worden sein kann. Nichtsdestotrotz werden wir diesen höchsten stoffmengenabhängigen Extinktionswert von 0, zur Berechnung heranziehen.

Für die Extinktion gilt die Gleichung:
 

Um die Extinktionsänderung beim Übergang von der reduzierten zur oxidierten Form zu verfolgen, werden die oben genannte Extinktionswerte benutzt. Durch die Zugabe von Lösungen wird allerdings das Volumen vergrößert, damit verringert sich die Cytochrom-c-Konzentration. Insgesamt werden bis zum Ende der Aufzeichnung 0,34 ml Lösung hinzugefügt.

Anfangsvolumen: 1 ml -> Cytochrom-c-Konzentration: 0,05 m mol/ml

Volumen vor der Hexacynaoferratzugabe: 1,22 ml

Im Endvolumen soll, nach den obigen Überlegungen, nur noch oxidierte Cytochrom c vorliegen. Vor der ersten Hexacyanoferrat-Zugabe soll nur reduzierte Cytochrom c vorliegen.

D (E^.V)= 0,000387 [Volumen in Liter]

Mit der Bildung der Differenz können wir das "Grundrauschen", also die nicht von der reduzierten Form des Cytochroms stammende Absorption herausrechnen.

Jetzt gilt: D (E^.V)= e ^. n ^. d = 0,000387

Eingesetzt wurden 50^.10^-6 nmol an Cytochrom c. Damit ist e = 7,74 mM ^. cm^-1. Die große Abweichung vom Literaturwert 17,85 mM ^. cm^-1 ist damit zu erklären, daß die Annahme, bei 550 nm absorbiere nur die reduzierte Form des Cytochroms c nicht richtig ist. Sie absorbiert aber deutlich stärker. Außerdem haben wir ein relativ komplexes Gemisch erzeugt (Protein, Ascorbinsäure,...), so daß nicht auszuschließen ist, daß die Extinktion noch durch andere Einflüsse verfälscht wird. Zudem treten noch die üblichen Fehlerquellen (falsches Ansetzen der Lösungen, Pipettierfehler, etc.) auf den Plan, ganz zu schweigen vom oben genannten Fakt, daß wir nicht davon ausgehen können, mit 0,739 schon die maximale Extinktion in die Rechnung einbezogen zu haben.

Aufgabe 3)

In vivo kann die Ascorbinsäure das Cytochrom nur oxidieren, wenn ein lipophiler Redoxvermittler hinzugefügt wird. Das könnte ein Hinweis darauf sein, daß die Ascorbinsäure die Hämgruppe des Cytochroms nicht erreichen kann, z.B. weil diese auf die innere Lipiddoppelschicht des Mitochondriums gerichtet ist.