Pufferlösungen - Einführung

Pufferlösungen - Einführung

1. Definition
Eine Pufferlösung ist eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base im Verhältnis 1:10 bis 10:1.
Ihre Funktion ist das „Abpuffern“ des pH-Werts einer Lösung, dh. eine Pufferlösung ändert ihren pH-Wert nicht, wenn man geringe Mengen an Säuren oder Basen hinzugibt.

Beispiel: Essigsäure-Acetat-Puffer ( 1:14 )
Essigsäure (CH₃COOH) ist das klassische Beispiel einer schwachen Säure. Das Acetat-Ion (CH₃COO^-) ist ihre konjugierte Base, das heißt, wenn Essigsäure ihr Proton abgibt, entsteht dieses Ion.
Der pH-Wert dieser Lösung ist von der Dissoziation der Essigsäure abhängig. Daher muss man in Puffern schwache Säuren verwenden, denn sie dissoziieren nicht vollständig zu Oxonium-Ionen und ihrer konjugierten Base.

Zugabe einer starken Säure
Bei Zugabe einer starken Säure, vereinfacht der Zugabe von Protonen, passiert folgendes: Die Protonen protonieren nicht das Wasser und werden so zu Oxonium-Ionen (H₃O⁺), sondern sie protonieren die Acetat-Ionen, die so wieder zu Essigsäure werden. Das heißt, solange Acetat-Ionen in der Lösung vorhanden sind, die H⁺-Ionen aufnehmen können, entstehen selbst bei Zugabe von starken Säuren keine neuen Oxonium-Ionen, dh. der pH-Wert ändert sich nicht! Die zugegebenen Protonen werden sozusagen im Essigsäure-Acetat-Gleichgweicht „verbraucht“ und bewirken keine Änderung der H₃O⁺-Konzentration.

2. Bedeutung und Vorkommen (3:17)
Pufferlösungen sind dort zu finden, wo es sinnvoll ist, den pH-Wert einer Lösung konstant zu halten. Beispiele:

- für bestimmte chemische Reaktionen (z.B. beim Galvanisieren, Gerben von Leder)

- bei der Anwendung von Enzymen. Die Aktivität von Enzymen hängt sehr stark vom pH-Wert ihrer Umgebung ab; Enzyme im Magen benötigen ein sehr stark saures Milieu, Enzyme auf der Haut ein leicht saures Milieu

- Blutpuffer: Um das Blut im Körper gleichmäßig auf pH = 7,35 - 7,45 zu halten gibt es vier verschiedene Puffersysteme im Blut. Dieses Puffersystem also sehr komplex! Ist der Blutpuffer nicht funktionstüchtig genug, so kann es zu einer Übersäuerung des Blutes, einer Acidose, oder einer Alkalose, also zu basischem Blut kommen. Acidosen können hervorgerufen werden durch eine Methanol Vergiftung. Wird der „Fuselalkohol“ im Körper abgebaut entsteht unter anderem Ameisensäure, die den Blutpuffer überfordert. Eine Folge der Acidose ist, dass das Blut nicht mehr gut genug Sauerstoff transportieren kann, was zwangsläufig zum Tod führt.

3. Berechnung des pH-Werts (7:01)
pH-Werte von Pufferlösungen berechnet man mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pKs – log(c(Säure)/c(Base))

Beispiel 1:1
Liegen schwache Säure und konjugierte Base im Konzentrationsverhältnis 1:1 vor, so kürzen sich die Konzentrationen aus dem Bruch zu 1:

c(Säure)/c(Base)= 1

Der Logarithmus von 1 ist Null:

log (1) = 0

Daher sieht für diesen Fall die Henderson-Hasselbalch-Gleichung so aus:

pH = pKs

Der pH-Wert entspricht also dem pKs-Wert der schwachen Säure.

Beispiel 1:10 bis 10:1
Bei allen anderen Konzentrationsverhältnissen zwischen 1:10 und 10:1 setzt man die Konzentrationen einfach in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein und erhält dadurch pH-Werte, die um den pKs schwanken:

pH = pKs +/- 1