Puffer

Das Hinzufügen einer kleinen Menge Säure oder Base zu einer Lösung kann zu einer signifikanten Abnahme oder Erhöhung des pH-Werts führen. Viele chemische und biochemische Prozesse benötigen jedoch einen stabilen pH-Wert, um zu funktionieren. Puffer können eine drastische Veränderung des pH-Werts einer Lösung verhindern, wenn ihre Pufferkapazität nicht überschritten wird.

Puffer enthalten eine schwache Säure und ihre konjugierte Base oder eine schwache Base und ihre konjugierte Säure. Zum Beispiel hält menschliches Blut seinen pH-Wert nahe 7,4 mit einem Puffer, der aus Kohlensäure, einer schwachen Säure, und Bikarbonationen, seiner konjugierten Base, besteht.

Konjugierte Säure-Base-Paare bilden Puffer, da sie ihre konjugierte Säure oder Base nicht neutralisieren. So können beispielsweise Essigsäure und Acetat nicht reagieren. Wenn jedoch Essigsäure, eine schwache Säure, und Ammoniak, eine schwache Base, zusammen hinzugefügt werden, reagieren sie zu einem Salz – Ammoniumacetat.

In einem Puffer neutralisiert die schwache Säure jede hinzugefügte Base, indem sie mit den erzeugten Hydroxidionen reagiert, während ihre konjugierte Base jede hinzugefügte Säure neutralisiert, indem sie mit beliebigen Hydroniumionen reagiert. Ein ähnlicher Mechanismus funktioniert bei einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure.

Zwei Bechergläser, X und Y, enthalten das gleiche Volumen unterschiedlicher Lösungen mit einem pH-Wert von 7,2. Die Lösung im Becherglas X wird nicht gepuffert. Im Gegensatz dazu enthält die Lösung im Becherglas Y einen Essigsäure-Acetat-Puffer.

Wird dem Becherglas X Salzsäure zugesetzt, sinkt der pH-Wert der Lösung aufgrund der erhöhten Konzentration an Hydroniumionen schlagartig ab.

Im Gegensatz dazu zeigt die Lösung im Becherglas Y einen nahezu konstanten pH-Wert, wenn Salzsäure zugesetzt wird, da eine der Pufferkomponenten, Acetat, mit Salzsäure reagiert, um ein Chloridion und Essigsäure zu erzeugen.

Ähnlich verhält es sich, wenn Natriumhydroxid zu Becherglas X hinzugefügt wird, steigt der pH-Wert der Lösung aufgrund der erhöhten Konzentration von Hydroxidionen plötzlich an.

Andererseits zeigt die Lösung im Becherglas Y eine minimale Änderung des pH-Werts, wenn ihr Natriumhydroxid zugesetzt wird, da eine der Pufferkomponenten, Essigsäure, mit Natriumhydroxid reagiert und Natriumacetat und ein Wassermolekül produziert.

Der Puffer kann eine drastische Änderung des pH-Werts einer Lösung verhindern, solange die Konzentration des konjugierten Säure-Base-Paares in einer Lösung höher ist als die zugesetzte starke Säure oder Base.