Puffersysteme
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Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
Eine Pufferlösung kann trotz der Zugabe von Säuren oder Basen den pH-Wert weitgehend konstant halten. Sie besteht aus einer schwachen Säure und dem dazugehörigen Salz. Beispiel: Der Essigsäure-Acetat-Puffer ist ein Puffersystem bestehend aus Essigsäure und Natriumacetat.
Gibt man einer solchen Pufferlösung Säure, also H3O+-Ionen hinzu, so reagieren diese zunächst mit den im Salz vorhandenen H3C-COO--Ionen zur H3C-COOH. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich und verschiebt sich erst, wenn das Salz komplett umgesetzt wurde.
Gibt man eine starke Base hinzu, dann ziehen die OH--Ionen aus H3C-COOH ein Proton heraus oder finden es schon in der Lösung vor und reagieren mit diesem zu Wasser. Der pH-Wert bleibt nahezu gleich, bis alle CH3-COOH-Moleküle verbraucht sind.
Wie viel Säure oder Base ohne Änderung des pH-Werts aufgenommen werden kann, hängt von der Menge der gelösten Puffersubstanzen ab. Dieses Verhalten nennt man die Pufferkapazität der gelösten Pufferlösung. Mit zunehmender Konzentration der Pufferlösung steigt also die Pufferkapazität.
Die wichtigsten Puffersysteme bzw. Pufferlösungen
Phosphatpuffer
Möchte man einen neutralen pH-Wert erhalten, so muss man den Phosphatpuffer benutzen. Dieser erhält eine gleiche Konzentration an Dihydrogenphosphat-Ionen und Hydrogenphosphat-Ionen.
Blutpuffer
Auch unser Blut ist pH-gepuffert, d. h. der Blut-pH-Wert muss bei 7,4 ± 0,05 liegen, damit unsere Gesundheit gewährleistet ist. Denn ohne die Pufferung könnte schon der Verzehr einer Essiggurke zu schweren gesundheitlichen Problemen führen. Das Kohlensäure/Hydrogencarbonat-Gleichgewicht ist am Blutpuffer beteiligt.
Essigsäure-Acetat-Puffer
Essigsäure/Acetat-Puffer. Enthält eine Lösung gleiche Stoffmengen an Essigsäure und Natriumacetat, so erhält man eine Pufferlösung mit dem pH-Wert 4,65:
c(H3O+) · c(Ac-)
KS = --------------------- = 10-4,65 mol/L
c0(HAc)
Mathematische Umformung
c(HAc)
c(H3O+) = KS -------------
c(Ac-)
Da der pH-Wert der negative dekadische Logaritmus der H3O+>-Ionenkonzentration ist, folgt:
pH = -lg c(H3O+)
c(Ac-)
pH = pKS + lg ---------- (Puffergleichung)
c(HAc)
Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13
Um Pufferlösungen mit definierten pH-Werten von pH 2 bis pH 13 herzustellen, müssen vorab bereitgestellt werden:
Chemikalien
Borax, Citronensäure (wasserfrei), Glycin, Kaliumdihydrogenphosphat, Dinatriumhydrogenphosphat, Natronlauge (c = 1 mol/L sowie 0,1 mol/L), Salzsäure (c = 0,1 mol/L), dest. Wasser
Geräte und Hilfsmittel
Schutzbrille, Waage, Porzellanschälchen, Spatel, Messkolben (V = 1 L), Messzylinder (V = 100 mL), Magnetrührer mit Rührmagnet und Magnetstab, pH-Meter, Pulvertrichter, wasserfester Marker, z. B. Edding, Gefahrzeichen "ätzend", Wischtücher.
Durchführung
Die nachfolgend angegebenen Rezepte sind zum Ansatz von jeweils 1 L Pufferlösung. Alle Chemikalien sortenrein abmessen und im Messkolben mit dest. Wasser auf 1 L auffüllen. Sollen lediglich 0,5 L Pufferlösung hergestellt werden, bleibt die Zutatenliste mit Ausnahme des benötigten Wassers unverändert, man erhält die doppelte Pufferkapazität (s. o.):
- pH 2: 5,88 g Citronensäure (wasserfrei) + 3,58 g NaCl + 82 mL Salzsäure (c = 0,1 mol/L)
- pH 3: 7,74 g Citronensäure (wasserfrei) + 3,49 g NaCl + 206 mL NaOH (c = 0,1 mol/L)
- pH 4: 10,75 g Citronensäure (wasserfrei) + 2,57 g NaCl + 68 mL NaOH (c = 1 mol/L)
- pH 5: 18,52 g Citronensäure (wasserfrei) + 196,4 mL NaOH (c = 1 mol/L)
- pH 6: 11,46 g Citronensäure (wasserfrei) + 159,6 mL NaOH (c = 1 mol/L)
- pH 7: 3,52 g KH2PO4 + 7,26 g Na2HPO4 · 2 H2O, alternativ: Ammoniumacetat-Lösung
- pH 8: 4,77 g Na2B4O7 · 10 H2O + 205 mL HCl (c = 0,1 mol/L)
- pH 9: 4,77 g Na2B4O7 · 10 H2O + 46 mL HCl (c = 0,1 mol/L)
- pH 10: 4,77 g Na2B4O7 · 10 H2O + 183 mL NaOH (c = 0,1 mol/L)
- Pufferlösung pH 10 (Ammoniak-Ammoniumchloridlösung): 54 g Ammoniumchlorid in 200 ml dest. Wasser lösen, 350 mL 25%-ige Ammoniaklösung hinzufügen und mit dest. Wasser auf 1 L auffüllen.
Pufferlösung für Titrationen mit Eriochromschwarz T als Indikator. - pH 11: 7,85 g Glycin + 6,11 g NaCl + 100 mL NaOH (c = 1 mol/L)
- pH 12: 6,28 g Glycin + 4,9 g NaCl + 100 mL NaOH (c = 1 mol/L)
- pH 13: 0,79 g Glycin + 0,47 g NaCl + 200 mL NaOH (c = 1 mol/L)
Berechnungsbeispiele
Acetatpuffer bei Säurezugabe
Zu 990 ml Pufferlösung, die je 0,1 mol Essigsäure und Natriumacetat enthält, wird 10 mL Salzsäure mit der Konzentration c(HCl) = 1 mol/L hinzugegeben. Die zugefügte Stoffmenge an Oxonium-Ionen beträgt:
n(HCl) = c(HCl) · V(Salzsäure)
n(HAc)= Essigsäure n(Ac-)= Acetat Essigsäure Acetat = Base, der Akzeptor = Säure, der Donator = 0,1 mol = 0,1 mol = reagiert mit Salzsäure = Acetat-Ionen verringern <-------- = es entsteht mehr Essigsäure sich
n(HAc)= Essigsäure n(Ac-)= Acetat Essigsäure Acetat 0,1mol 0,1mol
+ n(HCl) = 0,01 mol
Allgemeine Formel
Acetat + H+ ---------> Essigsäure
Beispiel: Zum besseren Verständnis
0- 0 Ö 0- 0 <-----Salzsäure Ö 0- <----Essigsäure Ö <------Acetat 0- Moleküle Ö 0- Ö = = = 0,1 mol 0,01 mol 0,1 mol
0,1 + 0,01= 0,11 0,1-0,01= 0,09
Das Acetat nimmt ein H+-Ion
von der Salzsäure auf und reagiert
wieder zu Essigsäure.
0- -dadurch werden die Essigsäure Ö
0- <------ Moleküle mehr Ö
0- -und Acetat-Ionen ------> Ö
0- weniger
0-
0-
0-
Daraus ging folgendes hervor: c(HAc)= (0,1 + 0,01)mol/L = 0,11 mol/L c(Ac-)= (0,1-0,01) mol/L = 0,09 mol/L
Ergebnisse in die vorgegebene pH-Formel eingeben, d. h.
0,09 mol · L
pH= 4,65 + lg------------------ = 4,56 Beachtet die Umkehrung
0,11 mol · L
Acetatpuffer bei Zugabe einer Base
Fügt man der o. a. Pufferlösung 10 mL Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol · L-1 hinzu, steigt der pH-Wert entsprechend auf 4,74. In einem Liter ungepufferter Lösung ergibt die gleiche Menge Salzsäure den pH-Wert 2 und der Laugenzusatz den pH-Wert 12.
Das bedeutet, dass wenn man der Pufferlösung Natronlauge hinzufügt, diese mit der Essigsäure reagiert und somit die Essigsäuremoleküle weniger werden und die Konzentration der Acetat-Ionen zunimmt.
c(HAc) + NaOH ----------> c(Ac-) + H2O
Beispiel
0- Ö- <-----NaOH Ö 0- <----Essigsäure Ö <-----Acetat 0- Ö
Es entsteht:
0- -Ö- Ö Ö 0- Ö Ö
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