16.5: Wirksamkeit des Puffers

Pufferlösungen haben keine unbegrenzte Kapazität, um den pH-Wert relativ konstant zu halten. Stattdessen hängt die Fähigkeit einer Pufferlösung, Änderungen des pH-Werts zu widerstehen, vom Vorhandensein nennenswerter Mengen ihres konjugierten schwachen Säure-Base-Paares ab. Wenn genügend starke Säure oder Base zugegeben wird, um die Konzentration eines der beiden Mitglieder des Pufferpaares wesentlich zu senken, wird die Pufferwirkung innerhalb der Lösung beeinträchtigt.

Die Pufferkapazität ist die Menge an Säure oder Base, die zu einem bestimmten Volumen einer Pufferlösung hinzugefügt werden kann, bevor sich der pH-Wert signifikant ändert, normalerweise um eine Einheit. Die Pufferkapazität hängt von den Mengen der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base ab, die sich in einer Puffermischung befinden. Zum Beispiel hat 1 l einer Lösung, die 1,0 M in Essigsäure und 1,0 M in Natriumacetat enthält, eine größere Pufferkapazität als 1 l einer Lösung, die 0,10 M in Essigsäure und 0,10 M in Natriumacetat enthält, obwohl beide Lösungen den gleichen pH-Wert haben. Die erste Lösung hat eine höhere Pufferkapazität, da sie mehr Essigsäure und Acetationen enthält.

Auswahl geeigneter Puffermischungen

Für die Auswahl von Puffermischungen gibt es zwei nützliche Faustregeln:

1. Eine gute Puffermischung sollte etwa die gleichen Konzentrationen ihrer beiden Komponenten enthalten. Eine Pufferlösung hat im Allgemeinen ihre Nützlichkeit verloren, wenn eine Komponente des Pufferpaares weniger als etwa 10 % der anderen ist.
2. Schwache Säuren und ihre Salze eignen sich besser als Puffer für pH-Werte unter 7; schwache Basen und ihre Salze eignen sich besser als Puffer für pH-Werte über 7.

Blut ist ein wichtiges Beispiel für eine gepufferte Lösung, wobei die Hauptsäure und das Ion, die für die Pufferwirkung verantwortlich sind, Kohlensäure_{(H 2}CO₃) und das Bikarbonat (HCO₃⁻) sind. Wenn ein Hydronium-Ion in den Blutkreislauf eingeführt wird, wird es hauptsächlich durch folgende Reaktion entfernt:

Ein zugesetztes Hydroxidion wird durch die Reaktion entfernt:

Die zugegebene starke Säure oder Base wird somit effektiv in die viel schwächere Säure oder Base des Pufferpaares umgewandelt (H ₃O⁺ wird in H₂CO₃ umgewandelt und OH ⁻ wird in HCO₃ umgewandelt). Der pH-Wert des menschlichen Blutes bleibt somit sehr nahe an dem Wert, der durch die Pufferpaare pK_a, in diesem Fall 7,35, bestimmt wird. Normale Schwankungen des Blut-pH-Werts betragen in der Regel weniger als 0,1, und pH-Änderungen von 0,4 oder mehr sind wahrscheinlich tödlich.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.6: Puffer.