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Pufferlösung

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Pufferlösung

Lösungen mit einem genauen pH-Wert herzustellen ist leicht. Schwierig wird es, wenn der pH-Wert gehalten werden soll. Hier kommen die sogenannten Pufferlösungen zum Einsatz.

Pufferlösung: Bedeutung von Puffersystemen

Äußere Einflüsse, wie beispielsweise die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid, beeinflussen die Konzentration der Oxonium-Ionen (H3O+) in einer Lösung, wodurch sich der pH-Wert verändert. Besonders in der chemischen Analytik ist das Einhalten enger pH-Bereiche von großer Bedeutung. Um den pH-Wert möglichst konstant zu halten, werden Pufferlösungen eingesetzt.

In der Regel besteht ein solches Puffersystem aus zwei Substanzen. Zum einen die Base, die mit den Oxonium-Ionen reagiert und zum anderen eine Säure, die die Hydroxid-Ionen (OH-) abfängt. Dabei soll die Reaktion jedoch nicht zur Neutralisation führen. Herstellen kannst du eine Pufferlösung also, wenn du:

  • eine schwache Säure mit ihrem Salz mischst,
  • eine schwache Base mit Ihrem Salz mischst.

Der Essigsäure-Acetat-Puffer besteht aus Essigsäure und Natriumacetat.

Der Ammoniakpuffer besteht aus Ammoniumchlorid und Ammoniak.

Vor allem in der Biochemie kommen Puffersysteme häufig zur Anwendung, um Reaktionen bei einem konstanten pH-Wert ablaufen zu lassen. Auch in lebenden Zellen sind Puffersysteme von Bedeutung.

Ein Puffersystem ist ein Stoffgemisch und besteht aus einer schwachen Brönsted-Säure bzw. -Base und ihrer korrespondierenden Base bzw. Säure.

Die Enzyme im menschlichen Blut und Zellen beispielsweise weisen nur bei einem pH-Wert von 7,4 die optimale Reaktionsgeschwindigkeit auf. Da auch in diesen Teilen unseres Körpers Reaktionen ablaufen und so Substrate und Stoffwechselprodukte mit saurem oder basischem Charakter entstehen, benötigt ein Organismus wie unser Körper mehrere Puffersysteme, um den pH-Wert konstant zu halten. Eines dieser Puffersysteme ist beispielsweise der Phosphatpuffer.

Pufferlösung: Wirkungsweise von Puffersystemen

Die Aufgabe eines Puffersystems ist es, den pH-Wert konstant zu halten. Dies ist jedoch nur möglich, da schwache Säuren in einer wässrigen Lösung nur in geringen Teilen, also unvollständig, dissoziieren und wenig Protonen abgeben. Schwache Basen hingegen entziehen dem Wasser nur wenige Protonen und erzeugen somit weniger Hydroxid-Ionen.

Nehmen wir den Essigsäure-Acetat-Puffer als Beispiel. Eine solche Pufferlösung besteht aus 1 L Wasser, 1 mol Essigsäure (CH3COOH) und 1 mol Natriumacetat (CH3COONa).

Pufferlösung Essigsäure-Acetat-Puffer Reaktionsgleichung StudySmarter

Pufferlösung Essigsäure-Acetat-Puffer Reaktionsgleichung StudySmarter

Die gebildeten Acetat-Ionen (CH3COO-) entstehen hauptsächlich durch die Dissoziation des Natriumacetats, aber auch durch die unvollständige Protolyse der Essigsäure. Wird nun eine begrenzte Menge einer anderen Säure zu der Pufferlösung hinzugefügt, wird das Protolysegleichgewicht gestört.

Um das Puffergleichgewicht neu einzustellen, protolysieren die Oxonium-Ionen die Acetat-Ionen unter Bildung von Essigsäure und Wasser. Da die Essigsäure eine schwache Säure ist, protolysiert diese kaum. Somit bleibt die Konzentration der Oxonium-Ionen der Pufferlösung und somit der pH-Wert weitgehend konstant.

Gibt man anstelle einer Säure eine Base zur Pufferlösung hinzu, reagieren die Hydroxid-Ionen mit den Oxonium-Ionen. Das Gleichgewicht wird durch die Bildung von Oxonium-Ionen durch die Essigsäure kompensiert, denn so lange nicht protolysierte Essigsäure im Puffersystem vorliegt, ändert sich der pH-Wert nur geringfügig.

Die Störung des Gleichgewichts durch die Zugabe anderer Säuren bzw. Basen kann nur so lange kompensiert werden, wie nicht protolysierte Puffersäure bzw. Pufferbase im Puffersystem vorliegt.

Pufferlösung: Das Pufferoptimum

Das Pufferoptimum bildet den Bereich eines Puffersystems, in dem sich bei Zugabe von Hydroxid-Ionen oder Oxonium-Ionen der pH-Wert am wenigsten ändert. Das Pufferoptimum liegt vor, wenn der pH-Wert der Lösung dem pKs-Wert der Puffersäure entspricht. Nach der Puffergleichung liegen hier die Pufferbase und Puffersäure in gleichen Mengen, also in einem Verhältnis von 1:1 vor. Dies ermöglicht, dass sowohl Oxonium-Ionen als auch Hydroxid-Ionen abgepuffert werden. Ist der pH-Wert nicht gleich dem pKs-Wert, verändert sich das Verhältnis.

Ist der pH-Wert kleiner als der pKs-Wert, liegt mehr Säure in der Lösung vor. Dadurch können die Hydroxid-Ionen zwar besser abgefangen werden, die Oxonium-Ionen hingegen nicht. Die Folge ist, dass die Lösung saurer wird.

Ist der pH-Wert größer als der pKs-Wert, liegt eine größere Menge der Pufferbase in der Lösung vor. Das sorgt dafür, dass die Oxonium-Ionen besser abgefangen werden können als die Hydroxid-Ionen, die Lösung wird alkalischer.

Als Faustregel kannst du dir merken, dass sich der pH-Wert der Pufferlösung nicht um mehr als ± 1 pH-Einheiten vom pKs-Wert der Puffersäure unterscheidet.

Pufferlösung: Arten

Hier findest du einen Überblick der verschiedenen Pufferlösungen und den dazugehörigen pH-Bereichen. Den Essigsäure-Acetat-Puffer kennst du ja bereits.

PuffersystempH-Bereich
Essigsäure-Acetat-Puffer3,7 bis 5,7
Phosphatpuffer5,4 bis 8,0
Ammoniakpuffer8,2 bis 10,2
Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer6,2 bis 8,6

Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer

Bei diesem Puffersystem handelt es sich um den Puffer im menschlichen Blutkreislauf, der dazu dient, pH-Schwankungen aufzufangen. Die Pufferlösung besteht aus der Kohlensäure (H2CO3) als Säure und dem Hydrogencarbonation (HCO3-), auch Bicarbonat genannt, als Base.

Pufferlösung Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer Reaktionsgleichung StudySmarter

Der pH-Wert des Bluts liegt bei etwa 7,4. Ist der pH-Wert des Bluts zu hoch, also nicht sauer genug, löst sich ein Proton der Kohlensäure und bildet ein Bicarbonat. Sind zu viele Protonen im Blut enthalten, ist dieses zu sauer. Das Bicarbonat bindet daher ein Proton, so dass Kohlensäure entsteht, die zu Wasser und Kohlendioxid zerfällt. Durch verstärkte Atemtätigkeit wird der Kohlenstoffdioxid abgeatmet. Ist das Blut nicht sauer genug, kann die Lungenaktivität auch gedrosselt werden.

Neben der Atmung haben auch die Nieren und bestimmte Bluteiweiße Einfluss auf den Säure-Basen-Haushalt. Die Nieren können Protonen und Bicarbonationen gezielt ausscheiden oder dem Körper zuführen. Bluteiweiße binden oder setzten Protonen frei.

Pufferlösung: pH-Wert berechnen

Um den pH-Wert einer Pufferlösung zu berechnen, benötigst du das Massenwirkungsgesetz. Anhand dessen kannst du die Gleichung für die Säurekonstante herleiten. Dabei gehst du von der allgemeinen Reaktionsgleichung einer Säure-Base-Reaktion aus. Dabei ist HA die Säure und A- die Base.

Mehr über den pKs-Wert und deren Herleitung erfährst du im StudySmarter Original zu diesem Thema.

Pufferlösung berechnen Säure Base Reaktion StudySmarter

Pufferlösung berechnen Säurekonstante Gleichung StudySmarter

Du stellst die Gleichung nun nach der Konzentration der Oxonium-Ionen um, da diese dem pH-Wert gleichzusetzen ist.

Pufferlösung Konzentration Oxoniumionen berechnen StudySmarter

Anschließend wird diese Gleichung logarithmiert. Diese Form ist als Puffergleichung oder auch Henderson-Hassebalch-Gleichung bekannt.

Pufferlösung berechnen Henderson-Hasselbalch-Gleichung StudySmarter

Pufferlösung berechnen Henderson-Hasselbalch-Gleichung StudySmarter

Berechnung der pH-Wert-Änderung eines Puffers

Was passiert jetzt aber mit dem pH-Wert, wenn du eine Säure oder Base zu einem Puffer hinzugibst? Dies kannst du dir am Beispiel des Essigsäure-Acetat-Puffers anschauen.

Der Puffer besteht aus 1 mol Essigsäure, 1 mol Natriumacetat und 1 L Wasser. Nun berechnest du zunächst den pH-Wert der Pufferlösung. Für die Berechnung benötigst du jedoch erst den pKs-Wert und die Konzentrationen von Essigsäure und Acetat.

Pufferlösung Essigsäure-Acetat-Puffer Konzentration Reaktionsgleichung StudySmarter

Pufferlösung Essigsäure-Acetat-Puffer Konzentration Reaktionsgleichung StudySmarter

Für Essigsäure liegt der pKs-Wert bei 4,76. Daraus ergibt sich:

Pufferlösung pH-Wert Essigsäure-Acetat-Puffer StudySmarter

Nun fügst du 0,1 mol Salzsäure der Pufferlösung hinzu und willst den neuen pH-Wert berechnen. Die Salzsäure ist eine sehr starke Säure, weshalb bei 0,1 mol Salzsäure ca. 0,1 mol Oxonium-Ionen entstehen, denn die Säure dissoziiert vollständig.

Die Säure reagiert mit 0,1 mol des Acetats, so dass 0,1 mol neue Essigsäure entstehen. Dadurch ändert sich also die Stoffmenge der Bestandteile der Pufferlösung.

Pufferlösung pH-Wert-Änderung Essigsäure-Acetat-Puffer StudySmarter

Der Puffer sorgt dafür, dass die Oxonium-Ionen abgefangen werden. Das erklärt die obere Rechnung. Somit bleiben vom Acetat noch 0,9 mol und von der Essigsäure 1,1 mol nach Hinzufügen der Salzsäure übrig. Für die weitere Berechnung benötigst du nun wieder die neuen Konzentrationen.

Pufferlösung pH-Wert-Änderung Essigsäure-Acetat-Puffer StudySmarter

Pufferlösung pH-Wert-Änderung Essigsäure-Acetat-Puffer StudySmarter

Pufferlösung pH-Wert-Änderung Essigsäure-Acetat-Puffer StudySmarter

Somit hat sich der pH-Wert der Pufferlösung nach Zugabe der starken Salzsäure nur geringfügig verändert.

Pufferlösung - Das Wichtigste

  • Ein Puffersystem ist ein Stoffgemisch und besteht aus einem konjungiertem Säure-Base-Paar.
  • Ist der pH-Wert der Pufferlösung gleich dem pKs der Puffersäure, werden Hydronium-Ionen und Hydroxid-Ionen gleichmäßig abgefangen. Dies wird auch als Pufferoptimum bezeichnet.
  • Bekannte Puffersysteme sind:
    • Essigsäure-Acetat-Puffer
    • Phosphatpuffer
    • Ammoniakpuffer
    • Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer.
  • Atmung, Nieren und Bluteiweiße haben Einfluss auf den Säure-Basen-Haushalt des menschlichen Körpers.
  • Mittels der Henderson-Hasselbalch-Gleichung kannst du den pH-Wert einer Pufferlösung berechnen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Pufferlösung

Es gibt eine Vielzahl an Puffern in der Chemie. Zu den bekanntesten zählen:

  • Essigsäure-Acetat-Puffer
  • Phosphatpuffer
  • Ammoniakpuffer
  • Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer

Ein Puffersystem ist ein Stoffgemisch und besteht aus einer schwachen Säure bzw. Base und ihrer korrespondierende Base bzw. Säure. Essigsäure und Natriumacetat bilden beispielsweise den bekannten Essigsäure-Acetat-Puffer.

  • Essigsäure-Acetat-Puffer bei pH 3,7 bis 5,7
  • Phosphatpuffer bei pH 5,4 bis 8,0
  • Ammoniakpuffer bei pH 8,2 bis 10,2
  • Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer bei pH 6,2 bis 8,6

Ein Puffersystem kann durch die schwache Protolyse der Puffersäure und der Pufferbase Hydronium-Ionen für die Neutralisation von Hydroxid-Ionen freisetzen und überschüssige Hydronium-Ionen binden. Dadurch ist es möglich, dass der pH-Wert der Lösung konstant bleibt.

Finales Pufferlösung Quiz

Frage

Was sind Puffersysteme?

Antwort anzeigen

Antwort

Puffersysteme bestehen aus einer schwachen Säure oder Base und der konjugierten Base oder Säure. Sie bewirken, dass in wässrigen Lösungen bei Zugabe einer Säure oder Base der pH-Wert konstant bleibt.

Frage anzeigen

Frage

Wie kommt es dazu, dass der pH-Wert konstant bleiben kann?

Antwort anzeigen

Antwort

Schwache Säuren dissoziieren nur unvollständig und geben daher weniger Protonen an das Wasser ab. Eine schwache Base nimmt weniger Protonen aus dem Wasser auf und produziert weniger Hydroxid-Ionen. Dadurch verändert sich der pH-Wert kaum.

Frage anzeigen

Frage

Welche Pufferlösungen kennst du?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Essigsäure-Acetat-Puffer
  • Phosphatpuffer
  • Ammoniakpuffer
  • Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer

Frage anzeigen

Frage

Wann ist die Kapazität eines Puffers am größten?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einem Säure-Base-Verhältnis von 1:1.

Frage anzeigen

Frage

Wie stellt man einen Puffer her?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch Mischung von:

  • schwacher Säure und ihren Salzen
  • schwacher Base und ihren Salzen

Frage anzeigen

Frage

Wie können Lösungen beeinflusst werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch äußere Einflüsse wie beispielsweise die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid. Dadurch ändert sich die Konzentration von Oxonium-Ionen in der Lösung.

Frage anzeigen

Frage

Wie stellt sich das Puffergleichgewicht im Essigsäure-Acetat-Puffer bei Zugabe einer Säure neu ein?

Antwort anzeigen

Antwort

Hydronium-Ionen protolysieren die Acetat-Ionen unter Bildung von Essigsäure und Wasser.

Frage anzeigen

Frage

Wann wird die Pufferlösung saurer?

Antwort anzeigen

Antwort

Ist der pH < pKs der Puffersäure wird die Pufferlösung saurer, da weniger Hydronium-Ionen abgepuffert werden können.

Frage anzeigen

Frage

Wann wird die Pufferlösung alkalischer?

Antwort anzeigen

Antwort

Ist der pH > pKs liegt eine größere Menge an Pufferbase in der Lösung vor. Dadurch können die Hydroxid-Ionen weniger abgefangen werden.

Frage anzeigen

Frage

Welchen pH-Wert hat das menschliche Blut?

Antwort anzeigen

Antwort

6,2

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter Pufferoptimum?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Pufferoptimum bezeichnet man den Bereich, in dem sich die Konzentration von Hydronium-Ionen und Hydroxid-Ionen am wenigsten ändern. In diesem Bereich liegen die Puffersäure und Pufferbase in einem Verhältnis von 1:1. vor.


Frage anzeigen

Frage

Wo finden Pufferlösungen Ihre Anwendung?

Antwort anzeigen

Antwort

Beispielsweise in der Biochemie aber auch in lebenden Zellen. Der menschliche Körper verfügt ebenfalls über mehrere Puffersysteme wie beispielsweise den Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer im Blut.


Frage anzeigen

Frage

Wie stellt sich das Puffergleichgewicht im Essigsäure-Acetat-Puffer bei Zugabe einer Base neu ein?

Antwort anzeigen

Antwort

Hydroxid-Ionen reagieren mit den Hydronium-Ionen. Das Gleichgewicht wird durch die Bildung von Hydronium-Ionen durch die Essigsäure kompensiert.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Ziel von Pufferlösungen?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch Pufferlösungen soll der pH-Wert einer Reaktion konstant gehalten werden.

Frage anzeigen

Frage

Welchen Wert berechnest du primär mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung?

Antwort anzeigen

Antwort

Den pH-Wert

Frage anzeigen

Frage

Wer hat die Henderson-Hasselbalch-Gleichung erfunden?

Antwort anzeigen

Antwort

Lawrence J. Henderson und Karl Albert Hasselbalch

Frage anzeigen

Frage

Welchen Wert konnte man mit der Gleichung berechnen bevor Hasselbalch die Gleichung umgeschrieben hat?


Antwort anzeigen

Antwort

die Wasserstoffionenkonzentration

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen beiden Gleichungen wurde die Henderson-Hasselbalch-Gleichung erstellt?


Antwort anzeigen

Antwort

allgemeine Säure-Base-Gleichung und Massenwirkungsgesetz

Frage anzeigen

Frage

Für welche Umstände gilt die Henderson-Hasselbalch-Gleichung nicht?


Antwort anzeigen

Antwort

Säure- und Basenkonzentration > 1 mol/L &

Gesamtkonzentration der Lösung < 0,01 mol/L

Frage anzeigen

Frage

In welchem Jahrhundert wurde die Henderson-Hasselbalch-Gleichung eingeführt?


Antwort anzeigen

Antwort

20. Jahrhundert 

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