Puffer

Puffer sind Lösungen, die darauf abzielen, einen konstanten pH-Wert in einem System aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Zugabe starker Säuren oder Basen. In Ermangelung von Puffern verändert die Zugabe einer starken Säure oder einer Base zu einer Lösung den pH-Wert erheblich. Puffer sind im Alltag von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel wirkt Blut als Puffer und ist in der Lage, einen pH-Wert zwischen 7,35 und 7,45 aufrechtzuerhalten, da ein pH-Wert über 7,8 oder unter 6,8 zum Tod führen kann.

Wie funktioniert ein Puffer? Ein Puffer ist im Wesentlichen eine schwache Säure oder Base, deren konjugierte Base oder Säure sich im Gleichgewicht zueinander befindet. Nehmen wir zum Beispiel einen Puffer aus Essigsäure und Natriumacetat. Die Pufferlösung enthält eine schwache Säure und ihr konjugiertes Salz, das dissoziiert und die konjugierte Base Acetat bildet. Die Lösung ist sauer, weil das K_a der Essigsäure höher ist als das K_b der konjugierten Base.

Denken Sie daran, dass die Dissoziationskonstante K_a oder K_b die Stärke der Säure bzw. Base definiert, da sie die Gleichgewichtskonstante für die Dissoziation der Verbindung in Wasser ist. Die Dissoziationskonstante kann auch als pK_a oder negativer Logarithmus von K_a dargestellt werden, wobei die Säure umso stärker ist, je kleiner pK_a ist. Das Gleiche gilt für pK_b, wo die Basis umso stärker ist, je kleiner der pK_b ist.

Zurück zum Acetatpuffer: Wenn wir eine starke Base wie Natriumhydroxid hinzufügen, reagieren die Hydroxidionen mit den in der Lösung vorhandenen Hydroniumionen. Dies führt dazu, dass mehr Essigsäure mit Wasser reagiert, um wieder ins Gleichgewicht zu kommen, wodurch mehr Hydronium-Ionen gebildet werden. Wenn wir eine starke Säure wie Salzsäure hinzufügen, werden in Lösung mehr Hydronium-Ionen gebildet. Diese Ionen reagieren mit den Acetat-Ionen und bilden mehr Essigsäure. In beiden Fällen ändert sich der pH-Wert der Lösung nur sehr wenig.

Denken Sie daran, dass jeder Puffer einen bestimmten pH-Bereich hat, in dem er eine Lösung puffern kann. Hier zeigen wir eine Titrationskurve für unseren Essigsäurepuffer. Der Pufferbereich wird hervorgehoben. Dieser Bereich wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung bestimmt, die uns sagt, dass der pH-Wert des Puffers durch das K_a der schwachen Säure und das Verhältnis der konjugierten Base zur schwachen Säure bestimmt wird.

Weit entfernt von diesem pH-Wert ist die schwache Säure oder Base des Puffers erschöpft und kann den pH-Wert nicht puffern. Wenn Sie also einen Puffer für Ihre Anwendung auswählen, wählen Sie einen, dessen pK_a nahe am gewünschten pH-Wert liegt.

Schließlich haben alle Puffer eine Grenze für ihre Pufferkapazität, d. h. die Menge an Säure oder einer Base, die der Pufferlösung zugesetzt werden kann, bevor sich der pH-Wert signifikant ändert. Wenn wir zum Beispiel zu viel Säure zu unserer Essigsäure- und Natriumacetat-Pufferlösung hinzufügen, protonieren wir alle Acetationen und reichern viele Hydroniumionen an, wodurch der pH-Wert gesenkt wird.

Wenn wir zu viel Base hinzufügen, deprotonieren wir die gesamte Essigsäure und sammeln viele Hydroxidionen an, wodurch der pH-Wert erhöht wird. Die Pufferkapazität wird also durch die Konzentration der schwachen Säure und des konjugierten Salzes beeinflusst. Ein 1-molarer Acetat-Puffer hat also eine höhere Pufferkapazität als ein 0,1-molarer Acetat-Puffer.

In diesem Labor bereiten Sie Puffer mit einer Vielzahl von pH-Bereichen vor und untersuchen sie. Anschließend verwenden Sie Ihre Puffer, um den pK_a eines pH-Indikators zu bestimmen, der als Neutralrot bezeichnet wird, und untersuchen die Veränderung des pK_a von Neutralrot, wenn das Riboflavin-Bindungsprotein eingeführt wird.