Puffersysteme

Puffersysteme
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Säure-Base-Reaktionen		pH-Skala

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 H₂PO₄^- und Hydrogenphosphat-Ionen HPO₄^2-.

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 aus:

                                                  pH = -lg c(H3O+)

die Puffergleichung (Henderson-Hasselbalch-Gleichung):

		c(Ac-)
pH	=	pKS + lg ────
		c(HAc)

Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen

• Beschreibung
• pH-Wert einer Salzlösung

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(HCl) = 1 mol/L · 0,01 L

n(HCl) = 0,01 mol

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

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Puffersysteme:
Chemie FOS-T     auf Seite -	Chemie heute     auf Seite 125, 417	Elemente Chemie     auf Seite 212

Weblinks

• Puffersysteme als Google-Suchbegriff
• Puffersysteme in der Wikipedia
• Puffersysteme hier in bs-wiki.de mit Google
• Puffersysteme als Youtube-Video
• Alwin Kratochwill: Übungsaufgaben mit Lösungen sowie ein pH-Rechner für Pufferlösungen
• Puffertablette siehe Eriochromschwarz T