Puffer (Chemie)

In einer Pufferlösung ändert sich der pH-Wert bei Zugabe einer Säure oder Base wesentlich weniger stark, als dies in einer ungepufferten Lösung der Fall wäre. Im Idealfall geht man davon aus, dass die zugegebene Säure oder Base komplett von der Pufferlösung abgefangen wird und sich der pH-Wert nicht ändert.

Solche Lösungen enthalten eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base (oder des jeweiligen Salzes). Der pH-Wert bestimmende Faktor ist das Verhältniss bzw. das Protolyse-Gleichgewicht des Pufferpaares.

Für das Säure-Base-Gleichgewicht einer schwachen Säure $HB$ gilt:

$K_{S}={\frac {c_{H^{+}}\cdot c_{B^{-}}}{c_{HB}-c_{H^{+}}}}\approx {\frac {c_{H^{+}}\cdot c_{B^{-}}}{c_{HB}}}$

Hieraus erhält man durch Umformen:

$c_{H^{+}}=K_{S}\cdot {\frac {c_{HB}}{c_{B^{-}}}}$

Somit gilt:

$pH=-\lg c_{H^{+}}=-lgK_{S}+lg{\frac {c_{B}}{c_{S}}}$

$pH=-\lg c_{H^{+}}=pK_{S}+lg{\frac {c_{B}}{c_{S}}}$        (Henderson-Hasselbalch-Gleichung (Puffergleichung))

Mit dieser Gleichung – sie gilt unter der Näherung, dass die Aktivitäten der Stoffe ihren Konzentrationen in Lösung entsprechen – lässt sich bei bekanntem $pK_{S}$-Wert für einen bestimmten $pH$-Wert das Konzentrationsverhältnis an Säure und Base ermitteln. Je höher die Konzentrationen sind, desto geringer wirken sich Zugaben von Säuren oder Basen aus.

Ein Beispiel ist der Ammonium-Puffer, der aus Ammonium-Ionen und Ammoniak besteht. Der Carbonatpuffer (eine Mischung aus Kohlensäure und Natriumhydrogencarbonat) ist ein Teil des Blutpuffers, der den pH-Wert des Blutes zwischen pH 7,35 und 7,45 hält und fängt Schwankungen durch zum Beispiel plötzliche Anstrengungen und Stoffwechsel ab.

Die Menge an starker Base (oder Säure), die durch eine Pufferlösung ohne wesentliche Änderung des pH-Wertes aufgenommen werden kann, wird durch die Pufferkapazität ausgedrückt. Als Faustregel kann man sagen, dass ein Puffer eine pH-Schwankung von plus-minus 1 abfangen kann, bevor sich der pH-Wert drastisch bei der Zugabe kleinerer Säure/Base-Mengen verändert.

Bedeutung

Puffersysteme haben eine wichtige Bedeutung in der technischen Chemie wie beispielsweise bei der Galvanisierung, Herstellung von Farbstoffen oder in der Fotographie, genauso wie in der Analytik und in der physiologischen Chemie.

Einige Pufferbeispiele:

• Kohlensäure-Carbonat-Pufferbereich (pH 6,2 bis 8,6; "neutral")
• Kohlensäure-Silikat-Pufferbereich (pH 5,0 bis 6,2; "schwach sauer")
• Aluminium-Pufferbereich (pH 3,0 bis 4,2; "stark sauer")
• Eisen-Pufferbereich (pH < 3,0; "extrem sauer")
• Essigsäure/Acetatpuffer (pH 3,7 - 5,7)
• Phosphatpuffer KH2PO4+Na2HPO4 (pH 5,4-8,0)
• Ammoniakpuffer NH3+H2O+NH4Cl (pH 8,2-10,2)

Siehe auch: Portal Chemie, Chemisches Gleichgewicht, Dissoziation (Chemie)