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 H2PO4- und Hydrogenphosphat-Ionen HPO42-.
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
pH-Wert einer Pufferlösung
Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch
Der pH-Wert einer Pufferlösung aus einer Säure und deren Salz hängt von der Säurestärke pKS(Säure) und dem Verhältnis der Stoffmengenkonzentrationen von Säure und deren Salz ab und kann mit der Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch errechnet werden:
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(Henderson-Hasselbalch-Gleichung) |
Beispiel Essigsäure-Acetat-Puffer
Gegeben: pKS(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. 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 = 4,75 + log10 ------------- = 4,66 Beachtet die Umkehrung
0,11 mol · L
Acetatpuffer bei Zugabe einer Base
Fügt man der ursprünglichen Pufferlösung 10 mL Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol · L-1 hinzu, steigt der pH-Wert entsprechend an, also auf pH 4,84.
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
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.
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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
