16.2
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.
Eine Lösung, die nennenswerte Mengen eines schwachen konjugierten Säure-Base-Paares enthält, wird Pufferlösung oder Puffer genannt. Pufferlösungen widerstehen einer Änderung des pH-Werts, wenn kleine Mengen einer starken Säure oder einer starken Base hinzugefügt werden. Eine Lösung aus Essigsäure und Natriumacetat ist ein Beispiel für einen Puffer, der aus einer schwachen Säure und ihrem Salz besteht: CH3COOH (aq) + CH3COONa (aq). Ein Beispiel für einen Puffer, der aus einer schwachen Base und ihrem Salz besteht, ist eine Lösung aus Ammoniak und Ammoniumchlorid: NH3 (aq) + NH4Cl (aq).
Wie Puffer funktionieren
Um die Funktion einer Pufferlösung zu veranschaulichen, betrachten Sie eine Mischung aus etwa gleichen Mengen Essigsäure und Natriumacetat. Das Vorhandensein eines schwachen konjugierten Säure-Base-Paares in der Lösung verleiht der Lösung die Fähigkeit, geringe Mengen zugesetzter starker Säure oder Base zu neutralisieren. Beispielsweise neutralisiert die Zugabe einer starken Base zu dieser Lösung das Hydroniumion und verschiebt das Ionisierungsgleichgewicht der Essigsäure nach rechts, wodurch die verringerte H3O+-Konzentration teilweise wiederhergestellt wird:

Ebenso neutralisiert die Zugabe einer starken Säure zu dieser Pufferlösung das Acetation, verschiebt das obige Ionisierungsgleichgewicht nach rechts und bringt [H3O+] wieder in die Nähe seines ursprünglichen Werts. Abbildung 1 zeigt grafisch die Veränderungen der Pufferlösung bei Zugabe starker Säure und Base. Die Pufferwirkung der Lösung beruht im Wesentlichen auf der Umwandlung der zugesetzten starken Säure und Base in die schwache Säure und Base, die das Konjugatpaar des Puffers bilden. Die schwächere Säure und Base unterliegen nur einer geringfügigen Ionisierung, im Vergleich zur vollständigen Ionisierung der starken Säure und Base. Der pH-Wert der Lösung ändert sich daher viel weniger drastisch als in einer ungepufferten Lösung.

Figure 1. Pufferwirkung in einer Mischung aus Essigsäure und Acetatsalz.
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.
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