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 4,75. Dieser Wert entspricht der Säurestärke und kann rechnerisch über die Puffergleichung (s. u.) vorhergesagt werden.

Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen

• Beschreibung
• pH-Wert einer Salzlösung

pH-Wert einer Pufferlösung

Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch

Der pH-Wert einer Pufferlösung aus einer Säure und deren Salz hängt von der Säurestärke pK_S(Säure) und dem Verhältnis der Stoffmengenkonzentrationen von Säure und deren Salz ab und kann mit der Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch errechnet werden:

c(Salz)     pH  =  pKS(Säure) + log10 ──────                                c(Säure)

(Henderson-Hasselbalch-Gleichung)

Beispiel Essigsäure-Acetat-Puffer

Gegeben: pK_S(Essigsäure) = 4,75; c(Natriumacetat) = 0,1 mol/L; ; c(Essigsäure) = 0,1 mol/L

Gesucht: pH-Wert der Pufferlösung

Durch Einsetzen in die Puffergleichung ergibt sich: pH = 4,75 + log₁₀(1) = 4,75

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. Wie ändert sich der pH-Wert?

Es gilt die Regel: Die starke Säure (hier: Salzsäure) verdrängt die schwächere (hier: Essigsäure) aus ihrem Salz. Folge: Die Essigsäurekonzentration steigt, die Acetatkonzentration sinkt. Um die neuen Konzentrationen und damit den neuen pH-Wert der Lösung zu berechnen, müssen die neuen Stoffmengen zum neuen Volumen (1.000 mL, also 1 L) ins Verhältnis gesetzt werden:

• zunächst die zugefügte Stoffmenge der Säureteilchen, sie beträgt:
  n(HCl) = c(HCl) · V(Salzsäure)
  n(HCl) = 1 mol/L · 0,01 L
  n(HCl) = 0,01 mol
• n(Essigsäure) = 0,1mol + 0,01 mol = 0,11 mol
• n(Acetat) = 0,1mol - 0,01 mol = 0,09 mol

Mit V = 1 L ergeben sich damit als neue Stoffmengenkonzentrationen:

• c(Essigsäure)= (0,1 + 0,01)mol/L = 0,11 mol/L
• c(Acetat)= (0,1-0,01) mol/L = 0,09 mol/L

Ergebnisse in die Puffergleichung einsetzen und neuen pH-Wert berechen:

                  0,09 mol · L         
pH = 4,75 + log10 ------------- = 4,66
                  0,11 mol · L

Acetatpuffer bei Zugabe einer Base

Fügt man der ursprünglichen Pufferlösung Natronlauge hinzu, reagiert diese mit der Essigsäure. Die Konzentration der Essigsäuremoleküle sinkt und die Konzentration der Acetat-Ionen nimmt zu. Gibt man 10 mL Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol · L^-1 hinzu, steigt der pH-Wert entsprechend an, also auf pH 4,84.

pH-Wert-Sprung ohne Puffer

Zum Vergleich: In einem Liter ungepufferter Lösung, also nur Essigsäure ohne das Salz, ergäbe die gleiche Menge Salzsäure den Abfall auf pH 2 und der Laugenzusatz den Sprung auf pH 12.

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

Experimente

• Pufferlösungen von pH 2 bis pH 13 herstellen
• Puffersysteme: Essigsäure-Acetat-Puffer, in: Elemente Chemie 2, Seite 213, Versuch 1

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