Puffersysteme: Aufbau, Wirkung und Pufferkapazität
Wie Puffer aus einem schwachen Säure-Base-Paar den pH-Wert stabilisieren, welche Mischungen nur scheinbar puffern und wovon die Pufferkapazität abhängt.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Puffer besteht aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base nebeneinander und hält den pH-Wert bei kleinen Säure- oder Basenzusätzen annähernd konstant.
- Bei Säurezugabe zum Acetatpuffer sinkt die Acetatkonzentration, weil Acetat die \(\ce{H3O+}\)-Ionen zu Essigsäure abfängt.
- NaOH/Natriumacetat, \(\ce{H2SO4}\)/\(\ce{NaHSO4}\) und 1 M \(\ce{NaCl}\) puffern nicht, weil ein schwaches Paar fehlt.
- Äquimolar \(\ce{NH3}\) und \(\ce{HCl}\) ergeben reine Ammoniumchlorid-Lösung und damit keinen Puffer; erst neutralisieren, dann prüfen.
- Die Pufferkapazität wird in mmol/L pro pH-Einheit angegeben, steigt mit der Gesamtkonzentration und ist bei pH = pKs maximal, beim Acetatpuffer bei pH 4,76.
Worum es geht
Puffer halten den pH-Wert einer Lösung stabil, obwohl Säure oder Base hinzukommt. Augentropfen, Injektionslösungen und das Blut brauchen genau das. Diese Einheit klärt, welche Mischungen puffern und wie viel sie verkraften.
Aufbau und Wirkung
Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre konjugierte Base nebeneinander, praktisch also eine schwache Säure oder Base und ihr Salz. Beide bilden ein konjugiertes Säure-Base-Paar. Kleine Mengen zugesetzter Säure oder Base ändern den pH-Wert deshalb nur wenig.
Im Acetatpuffer aus Essigsäure und Natriumacetat fängt das Acetat zugesetzte Oxonium-Ionen ab:
\[\ce{CH3COO- + H3O+ -> CH3COOH + H2O}\]
Die Acetatkonzentration sinkt dabei, die Essigsäure nimmt zu. Zugesetzte Hydroxid-Ionen reagieren dagegen mit der Essigsäure:
\[\ce{CH3COOH + OH- -> CH3COO- + H2O}\]
Der Puffer tauscht also eine starke Säure oder Base gegen eine schwache aus. Das klappt nur, solange beide Partner vorrätig sind. Diese Grenze beschreibt die Pufferkapazität. Puffer gibt es über die ganze pH-Skala: Ammonium/Ammoniak puffert um pH 9, Hydrogenphosphat/Phosphat um pH 12. Mehr dazu unter Pufferbereiche.
Keine Puffersysteme
Ein Puffer braucht zwei Dinge: Das Paar muss schwach sein, und beide Partner müssen nebeneinander vorliegen. Fehlt eines davon, puffert die Lösung nicht nennenswert.
- NaOH/Natriumacetat: NaOH ist eine starke Base. Essigsäure als Protonenspender fehlt, Hydroxid bestimmt den pH.
- \(\ce{H2SO4}\)/\(\ce{NaHSO4}\): Schwefelsäure ist in der ersten Stufe eine starke Säure. Ihre konjugierte Base \(\ce{HSO4-}\) bindet praktisch kein Proton zurück.
- 1 M \(\ce{NaCl}\): \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Cl-}\) protolysieren in Wasser nicht. Es fehlt jeder Pufferpartner.
- \(\ce{NH3}\) und \(\ce{HCl}\) äquimolar: Die Neutralisation ist vollständig. Übrig bleibt reine Ammoniumchlorid-Lösung ohne Ammoniak.
Die Regel lautet: erst neutralisieren, dann prüfen. Bei \(\ce{NH3}\) zu \(\ce{HCl}\) im Verhältnis 2:1 bleibt halb Ammoniak, halb Ammonium. Das ist ein guter Puffer.
Wird im Examen gerne gefragt: Gleiche Stoffmengen einer schwachen Säure und einer starken Base ergeben nur das Salz, also keine maximale Pufferkapazität. Das Maximum entsteht erst, wenn genau die Hälfte neutralisiert ist.
Pufferkapazität
Ein Puffer verkraftet nur eine bestimmte Menge Säure oder Base. Diese Menge lässt sich messen.
Die Pufferkapazität \(\beta\) ist die Stoffmenge starker Säure oder Base pro Liter, die den pH-Wert um eine Einheit verschiebt. Einheit: mmol/L pro pH-Einheit. Sie ist stets positiv.
Zwei Größen bestimmen sie. Erstens die Gesamtkonzentration: Ein zehnfach konzentrierterer Acetatpuffer fängt zehnfach mehr ab. Zweitens das Mischungsverhältnis von Essigsäure zu Acetat. Bei gleicher Gesamtkonzentration ist die Kapazität maximal bei äquimolarem Verhältnis, also bei pH = pKs.
Für den Acetatpuffer liegt das Maximum bei pH 4,76. Bei pH 7 liegt fast nur noch Acetat vor, die Kapazität ist dort klein. Den pH aus dem Mischungsverhältnis berechnet die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Quiz
Aussage 1
Gibt man Salzsäure zu einem Essigsäure/Natriumacetat-Puffer, steigt die Acetatkonzentration.
Acetat fängt die \(\ce{H3O+}\)-Ionen ab und wird zu Essigsäure. Die Acetatkonzentration sinkt also.
Aussage 2
Eine Lösung aus 0,1 mol Ammoniak und 0,1 mol Salzsäure in einem Liter ist kein wirksamer Puffer.
Die Neutralisation ist vollständig, es bleibt nur Ammoniumchlorid. Ammoniak als Pufferpartner fehlt.
Aussage 3
Die Pufferkapazität eines Acetatpuffers erreicht bei pH 7 ihr Maximum.
Das Maximum liegt bei äquimolarem Verhältnis, also bei pH = pKs = 4,76. Bei pH 7 liegt fast nur Acetat vor.
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