Puffer
Puffer sind Lösungen, die durch Zugabe einer starken Lauge oder starken Säure ihren pH-Wert nur ganz geringfügig ändern. Diese Lösungen können die zugegebenen Hydroxidionen bzw. Oxoniumionen abpuffern. Genauer bezeichnet man diese Lösungen als Säure-Base-Puffer oder Puffersysteme. Ein Beispiel ist der Phosphatpuffer. Dieser puffert im neutralen Bereich und enthält das konjugierte Säure-Base-Paar Dihydrogenphosphation/Hydrogenphosphation: H2PO4-/HPO42-. Folgende Gleichgewichte überlagern sich in der Lösung:
Gibt man zu dieser Pufferlösung eine Säure, so werden die darin enthaltenen Oxoniumionen (H3O+) durch die Base HPO42- abgefangen, indem sich daraus Säureteilchen (H2PO4-)und Wasserteilchen (H2O) bilden. Nach der Zugabe der Säure hat die Konzentration der Puffersäure H2PO4- zugenommen und die der Pufferbase HPO42- abgenommen.
Das Gleichgewicht (1) in Abbildung 19 hat sich nach der Säurezugabe leicht nach rechts verschoben und das Gleichgewicht (2) hat sich leicht nach links verschoben, somit ist der pH-Wert etwas gefallen. Nach der Zugabe einer Base führen die Konzentrationsänderungen zu einem leichten Anstieg des pH-Wertes. Somit hängt das Puffern mit der Konzentration von Dihydrogenphosphat (H2PO4-) und der Konzentration dessen konjugierter Base Hydrogenphosphat (HPO42-) zusammen. Puffersysteme können nicht beliebig viele Oxoniumionen bzw. Hydroxidionen abfangen. Irgendwann sind die Pufferkomponenten aufgebraucht und keine zusätzlichen Ionen können mehr gepuffert werden. Schauen wir uns dazu ein allgemeines Puffersystem an, das die schwache Säure HA und ihre konjugierte Base A- enthält.
Wir bilden wieder die Säurekonstante KS für dieses Gleichgewicht und lösen nach [H3O+] auf.
Die Gleichung für die [H3O+] logarithmieren wir wieder negativ dekadisch.
Folgender allgemeiner mathematischer Zusammenhang besteht zwischen dem pH-Wert einer Pufferlösung und deren Pufferkomponenten:
Diese Gleichung wird als Puffer-Gleichung bzw. Henderson-Hasselbalch-Gleichung bezeichnet. Wenn die Konzentrationen der konjugierten Base und der Säure gleich sind, dann entspricht der pH-Wert dem pKS-Wert der Säure, da lg(1) = 0 ist. Wird die Konzentration der Säure gegenüber der Konzentration der Base um das Zehnfache erhöht, dann sinkt der pH-Wert um eine Einheit. Jede Veränderung des Verhältnisses [Säure]/[konjugierte Base] um den Faktor 10 bewirkt eine pH-Änderung um eine Einheit.
Merke
Merke: Puffersysteme bewirken, dass wässrige Lösungen bei der Zugabe von Säuren und Basen ihren pH-Wert nahezu konstant behalten. Ein Puffersystem besteht aus einer Säure (i.d.R. eine schwache Säure) und ihrer konjugierten Base.
Merke: Der pH-Wert einer Pufferlösung bleibt beim Verdünnen konstant.
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