Kariesrisiko und Speicheldiagnostik

Kariesentstehung, Säure-Base-Reaktion
Gleichgewichtsreaktion an der Grenzfläche Zahn - Speichel

Eine Klausuraufgabe zum Thema Säure-Base-Reaktionen

Petra Wlotzka
Klassen- bzw. Kursstufe: Sek. II
Themenbereich: Säure-Base-Reaktionen, Puffer, chemisches Gleichgewicht
Kompetenzbereiche: Säure-Base-Konzept, Gleichgewichtskonzept, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation, Bewerten
Die im Folgenden vorgestellte materialgebundene Klausuraufgabe prüft ab, inwieweit Schülerinnen und Schüler ihr erworbenes Wissen bezüglich des Säure-Base-Konzepts und des Gleichgewichtskonzepts in einem lebensweltbezogenen Kontext (Kariesrisiko) anwenden können [1, 2].
Literatur
[1]Laurisch, L.: Individualprophylaxe: Diagnostik und Therapie des individuellen Kariesrisikos. Deutscher Zahnärzte-Verlag Köln 2000
[2]Demuth, R.; Parchmann, I.; Ralle, B. (Hrsg.): Chemie im Kontext Schüler-CD. Cornelsen-Verlag Berlin 2006
[3] Wambach, H. (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterricht Chemie Band 10/1 Lernen im Kontext 1. Aulis-Verlag Köln 2005
Lösungserwartungen:
Aufgabenteil a):
(Anforderungsbereich I/II)
Gleichgewichtsreaktion auf Zahn-oberfläche eines geputzten Zahns:
Ca10(PO4)6(OH)2 ⇌ 10 Ca2+ + 6 PO43 + 2 OH
Vorgänge beim Verzehr zuckerhaltiger Speisen:
Die Bakterien bauen Zucker zu Milchsäure ab. Die Milchsäure bildet mit dem Wasser des Speichels H3O+-Ionen. Die OH-Ionen reagieren mit den H3O+- Ionen der Säure zu Wasser:
2 OH + 2 H3O+ ⇌ 4 H2O
Die Phosphationen reagieren mit den Oxoniumionen zu Hydrogenphosphat:
6 PO43 + 6 H3O+ ⇌ 6 HPO42 + 6 H2O
Dadurch, dass die Oxoniumionen mit den Hydoxid- und Phosphationen des Hydrosylapatits reagieren, wird die Rückreaktion verhindert und das Gleichgewicht der Reaktion verschiebt sich auf die Seite der gelösten Ionen, das Hydroxylapatit (der Zahn) löst sich auf.
Gesamtgleichung:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 8 H3O+ ⇌ 10 Ca2+ + 6 HPO42 + 10 H2O
Aufgabenteil b):
(Anforderungsbereich II)
Pufferwirkung des Hydrogencarbonats: Hydrogencarbonat-Ionen reagieren sowohl mit H3O+-Ionen als auch mit OH-Ionen zu Wasser.
HCO3- + H3O+ ⇌ H2CO3 + H2O
H2CO3 + H2O ⇌ CO2 (aq) + 2 H2O
HCO3 + OH ⇌ CO32 + H2O
Dadurch wird der pH-Wert einer Hydrogencarbonat-Lösung bei Zugabe von Säuren oder Laugen über einen gewissen Konzentrationsbereich nahezu konstant gehalten.
Konzentrationsverhältnis von Kohlensäure zu Hydrogencarbonat-Ionen:
pH = pKs + lg [c(A)/c(HA)]
pKs-Wert H2CO3/HCO3: 6,52
Ruhespeichel: pH-Wert = 6,5
lg [c(A)/c(HA)] = pH pKs = 6,5 6,52 = – 0,02
c(A)/c(HA)] = 10 – 0,02 = 0,95 ~ 1
d.h. im Ruhespeichel beträgt das Konzentrationsverhältnis von Hydrogencarbonat-Ionen zu Kohlensäure ungefähr 1:1.
Stimulierter Speichel:
lg [c(A)/c(HA)] = pH pKs = 7,5 6,52 = 0,98
c(A)/c(HA)] = 100,98 = 9,5 ~ 10
d.h. im stimulierten Speichel beträgt das Konzentrationsverhältnis von Hydrogencarbonat zu Kohlensäure ungefähr 10:1.
(Anmerkung: Bei einer starken Mundatmung reichert sich der Speichel mit Kohlenstoffdioxid an. Dadurch entsteht vermehrt Kohlensäure.
CO2 (aq) + H2O ⇌ H2CO3
H2CO3 + H2O ⇌ HCO3 + H3O+
Durch die Erhöhung der Kohlensäurekonzentration verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Seite der Hydrogencarbonat-Ionen und der pH-Wert sinkt.)
Aufgabenteil c):
(Anforderungsbereich II)
Hat der Speichel eine hohe Pufferkapazität, so ändert sich durch Zugabe der Säure der pH-Wert des Speichels nur wenig. Wird der Speichelprobe 3mL Salzsäure zugegeben und der pH-Wert ändert sich nur wenig (ist noch über 6), so hat der Speichel eine hohe Pufferkapazität. Ändert sich der pH-Wert jedoch stark (sinkt unter 5), so ist die Pufferkapazität gering.
pH-Wert einer Speichelprobe ohne entsprechendes Puffersystem (Wasser) nach Zugabe von 3mL HCl (c = 0,005mol/L):
V(Speichelprobe): 1mL; V(HCl): 3mL; V(gesamt): 4mL
Stoffmenge HCl in 3mL HCl-Lösung:
n(HCl) = c(HCl) · V(HCl) = 0,005mol/L · 0,003L = 1,5 · 10-5mol
Konzentration HCL in 4mL Probevolumen:
c(HCl) = n(HCl)/V(HCl) = 1,5 ·...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 166 / 2018

Chemisches Gleichgewicht

Friedrich+ Kennzeichnung Abitur & Prüfung Schuljahr 1-13