Säure-Base-Systeme

Pufferbereiche wichtiger Puffer und Titrationskurven

Wo die wichtigsten Puffersysteme puffern und wie man in einer Titrationskurve Pufferbereich, Äquivalenzpunkt und Neutralpunkt erkennt.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Der Pufferbereich ist das pH-Intervall um den pKs-Wert (etwa pKs ± 1), in dem ein Puffer wirksam puffert.
  • Äquimolarer Acetatpuffer hat pH ca. 4,8 und puffert etwa von pH 4 bis 6, äquimolarer Ammoniakpuffer hat pH ca. 9,25.
  • Der Phosphatpuffer aus \(\ce{NaH2PO4}\) und \(\ce{Na2HPO4}\) puffert im Bereich pH 6 bis 8.
  • Reihenfolge nach abnehmendem Pufferbereich: \(\ce{HCO3-/CO3^2-}\) > \(\ce{H2PO4-/HPO4^2-}\) > Acetat.
  • Der Äquivalenzpunkt liegt im Wendepunkt des steilen Kurvenabschnitts, der Neutralpunkt bei pH 7; bei schwacher Base mit starker Säure liegt der Äquivalenzpunkt im Sauren.

Worum es geht

Jeder Puffer wirkt nur in einem schmalen pH-Fenster, und dieses Fenster liegt um seinen pKs-Wert. Wer die Lage der gängigen Puffer kennt, kann Pufferlösungen für Arzneibuchmethoden auswählen und Titrationskurven sicher deuten.

Wichtige Puffersysteme

Ein Puffer fängt Säure und Base am besten ab, wenn schwache Säure und konjugierte Base in ähnlicher Menge vorliegen. Deshalb legt die Dissoziationskonstante der schwachen Säure bzw. Base fest, wo er wirkt. Im äquimolaren Gemisch gilt nach Henderson-Hasselbalch einfach pH = pKs.

📖 Definition: Pufferbereich

Der Pufferbereich ist das pH-Intervall, in dem ein Puffer wirksam puffert. Er reicht etwa von pKs − 1 bis pKs + 1.

Puffer Ansatz Paar pKs pH bei 1:1 Pufferbereich
Acetat Essigsäure + Natriumacetat \(\ce{CH3COOH/CH3COO-}\) 4,75 ca. 4,8 pH 4 bis 6
Phosphat \(\ce{NaH2PO4}\) + \(\ce{Na2HPO4}\) \(\ce{H2PO4-/HPO4^2-}\) 7,2 ca. 7,2 pH 6 bis 8
Ammoniak \(\ce{NH3}\) + \(\ce{NH4Cl}\) \(\ce{NH4+/NH3}\) 9,25 ca. 9,25 pH 8 bis 10
Carbonat \(\ce{NaHCO3}\) + \(\ce{Na2CO3}\) \(\ce{HCO3-/CO3^2-}\) 10,3 ca. 10,3 pH 9 bis 11
🎯 Examensrelevant: Reihenfolge der Pufferbereiche

Nach abnehmendem Pufferbereich geordnet gilt: \(\ce{HCO3-/CO3^2-}\) > \(\ce{H2PO4-/HPO4^2-}\) > \(\ce{CH3COOH/CH3COO-}\). Das wird im Examen gerne gefragt. Achte beim Phosphat auf das Paar \(\ce{H2PO4-/HPO4^2-}\), denn nur dieses puffert um pH 7.

Horizontale pH-Skala mit vier Balken: Acetat um 4,8, Phosphat um 7,2, Ammoniak um 9,25, Carbonat um 10,3.

Pufferbereiche wichtiger Puffer auf der pH-Skala, jeweils pKs ± 1.

Im Körper puffern vor allem das Paar \(\ce{CO2/HCO3-}\) im Blut, der Phosphatpuffer in Zellen und Harn sowie Proteine wie Hämoglobin.

Titrationskurven

Eine Titrationskurve trägt den pH-Wert gegen das zugegebene Volumen Maßlösung auf. Titriert man Ammoniak mit Salzsäure, fällt der pH zunächst kaum. Hier liegen \(\ce{NH3}\) und \(\ce{NH4+}\) nebeneinander vor, die Kurve verläuft im Pufferbereich flach. Ihre Mitte ist der Halbäquivalenzpunkt mit pH = pKs = 9,25.

Danach bricht der pH steil ein. Der Äquivalenzpunkt ist erreicht, wenn die äquivalente Stoffmenge Säure zugegeben ist. Er liegt im Wendepunkt des steilen Abschnitts. Der Neutralpunkt ist dagegen einfach der Punkt bei pH 7.

Fallende pH-Kurve mit flachem Pufferbereich um pH 9,25, steilem Abfall um 20 mL und markierten Punkten bei pH 7 und pH 5,3.

Titration einer schwachen Base mit starker Säure: Der Äquivalenzpunkt liegt im Sauren, der Neutralpunkt kurz davor.

Beide Punkte fallen hier nicht zusammen. Am Äquivalenzpunkt liegt nur noch \(\ce{NH4Cl}\) vor, und \(\ce{NH4+}\) reagiert als Kationsäure sauer. Der Äquivalenzpunkt liegt also im Sauren, im Beispiel bei pH 5,3. Umgekehrt entsteht bei schwacher Säure mit starker Base ein basisch reagierendes Salz wie Natriumacetat. Der Äquivalenzpunkt liegt dann im Basischen. Nur bei starker Säure mit starker Base liegt er bei pH 7.

Drei pH-Kurven mit Äquivalenzpunkten bei pH 7, im Basischen und im Sauren, dazu eine waagerechte Linie bei pH 7.

Lage des Äquivalenzpunkts hängt vom entstehenden Salz ab.

So findest du die Punkte in einer vorgelegten Kurve:

  • Äquivalenzpunkt: Wendepunkt in der Mitte des steilen Abfalls
  • Neutralpunkt: Schnittpunkt der Kurve mit der Linie bei pH 7
  • Halbäquivalenzpunkt: halbes Äquivalenzvolumen, Mitte des flachen Bereichs

Indikatoren und Titrationsverfahren behandelt die Analytik.

Quiz

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Aussage 1

Titriert man Essigsäure mit Natronlauge, liegt der Äquivalenzpunkt genau beim Neutralpunkt.

Am Äquivalenzpunkt liegt Natriumacetat vor, das basisch reagiert. Der Äquivalenzpunkt liegt daher im Basischen, nicht bei pH 7.

Aussage 2

Eine äquimolare Lösung aus Ammoniak und Ammoniumchlorid hat einen pH-Wert von etwa 9,25.

Im 1:1-Gemisch gilt pH = pKs, und der pKs von \(\ce{NH4+}\) beträgt 9,25.

Aussage 3

Ein Acetatpuffer puffert bei höheren pH-Werten als ein Puffer aus \(\ce{H2PO4-}\) und \(\ce{HPO4^2-}\).

Umgekehrt: Acetat puffert um pH 4,8, das Phosphatpaar um pH 7,2. Die Reihenfolge lautet Carbonat > Phosphat > Acetat.

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