Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 02. Mai 2018

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Name: Emily, 2018-05

Puffer sind spezielle Lösungen, welche trotz Zugabe von Säure oder Base nicht oder nur wenig ihren pH-Wert ändern. Sie können mit Hilfer der Henderson-Hasselbalch-Gleichung berechnet werden. 

Grundlagen: Säure-Base-Puffer und Puffersysteme

Als Puffersystem wird in der organischen Chemie eine Lösung bezeichnet, die nach der Zugabe einer Säure bzw. Base nur eine geringe pH-Wert-Veränderung aufweist. Da diese meist als wässrige Lösung vorkommen, spricht man hier auch von Pufferlösungen. Im besten Fall kann eine Pufferlösung dafür sorgen, dass der pH-Wert trotz Zugabe einer Säure/ Base gleich bleibt.

Pufferlösungen bestehen entweder aus schwachen Basen und deren korrespondierenden Säuren oder aus schwachen Säuren und den korrespondierenden Basen.

Die Puffersäure arbeitet als Protonendonator um die Hydroxidionen zu neutralisieren, während die korrespondierende Base die Protonen aufnimmt

Diese werden als Puffersäure bzw. -base bezeichnet. Sie bilden gemeinsam das Puffersystem. 

Wird einem Puffersystem geringe Mengen an Hydroxid- bzw. Oxoniumionen zugeführt, so ändert sich dessen pH-Wert nur wenig. Dies zeigt, dass die jeweils zugeführten Ionen in ihrer Wirkungsweise abgeschwächt werden.

Bei der Zugabe der Ionen in reines Wasser, verändert sich der pH-Wert jedoch sehr stark.

Die Pufferlösung weist einen pH-Wert auf, der in etwa dem pKs-Wert der schwachen Säure gleicht.

Puffersystemarten

Es gibt zwei Arten von Puffersystemen: offene und geschlossene Puffersysteme.

Bei offenen Puffersystemen (z. B. Kohlensäure-Puffer) kann der pH-Wert durch das Abgeben eines Stoffes stabil gehalten werden.

Bei geschlossenen Puffersystemen hingegen kommt es zu keinem Austausch mit der Umwelt, sodass alle Ausgangsstoffe auch zum Ende hin noch vorhanden sind.

Henderson-Hasselbach-Gleichung:

Aus dem Massenwirkungsgesetz folgt:

Ks = c(H₃O⁺) · c(A^-) / c(HA)

Diese Formel des Säure-Base-Gleichgewichts lässt sich so umstellen, dass man die Henderson-Hasselbach-Gleichung daraus erhält:

pH = pKs + lg c(A^-) / c(HA)

Aus der Gleichung lassen sich mehrere Informationen ableiten:

- der pH-Wert steht in Abhängigkeit zum pKs-Wert der Puffersäure

- das Konzentrationsverhältnis der Puffersäure zur Pufferbase wird durch den pH-     Wert bestimmt und umgekehrt

- bei gleicher Konzentration von Puffersäure und -base ist der pH-Wert gleich dem pKs-Wert.

Die Pufferungskurve

Die oben behandelte Henderson-Hasselbach-Gleichung kann durch eine Pufferungskurve grafisch veranschaulicht werden.

An der Stelle, an der der pH-Wert und pKs-Wert gleich sind, ist die Steigung am geringsten (in der Graphik entspricht diese Stelle dem Wendepunkt). Bei anfänglicher Veränderung der Konzentrationen von Base und Säure kommt es aufgrund des Puffersystems nur zu geringen Abweichungen der Steigung.

Pufferkapazität

Die Pufferkapazität β gibt die Stoffmenge an benötigten Hydroxid- bzw. Hydronium-Ionen an, die in einen Liter einer Lösung gegeben werden muss, um den pH-Wert um eine Einheit zu erhöhen oder zu senken. Sie wird in der Einheit Mol pro Liter angegeben.

Die Neutralisation von Oxonium- oder Hydroxid-Ionen durch ein Puffersystem ist nur bis zu einem bestimmten Punkt möglich.

Wenn der größte Teil der Puffersäure bzw. der korrespondierenden Base umgesetzt wurde, ist die Pufferkapazität erschöpft.

An der Stelle pH=pKs ist die Wirkung der Pufferlösung am besten.

Als Hilfestellung kann man sich merken, dass die Pufferkapazität erschöpft ist, wenn das Konzentrationsverhältnis der Säure und Base den Wert 1 zu 10, bzw. 10 zu 1 übersteigt.

Beispiele einiger wichtiger Puffer:

• Essigsäure-Acetat-Puffer
• Phosphatpuffer
• Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer

Verwendungsbereich/ Einsatz von Säure-Base-Puffern

• Im menschlichen Körper sind Puffersysteme nötig, um zum Beispiel den pH-Wert des Blutes konstant zu halten.
• Mithilfe eines Puffers können pH-Wert-Messgeräte neu kalibriert werden.
• Bedeutend sind Puffersysteme außerdem in der technischen Chemie wie beispielsweise bei der Galvanisierung.