3.13: Puffer: Pufferkapazität

Die Pufferkapazität ist das quantitative Maß dafür, dass ein Puffer einer pH-Änderung standhält. Wie in der folgenden Gleichung dargestellt, wird die Pufferkapazität, bezeichnet mit "beta", als die Anzahl der Mole von Säuren oder Basen ausgedrückt, die benötigt werden, um den pH-Wert einer 1-Liter-Pufferlösung um 1 Einheit zu verändern. Dabei geben Ca und Cb die Anzahl der Mole der Säure bzw. der Base an. Beachten Sie, dass dpH die Änderung des pH-Werts darstellt.

In der Grafik ist der pH-Wert als Funktion der Anzahl der Mole der Base (Cb) aufgetragen, die einer schwachen Säure mit einem pKa-Wert von 5 zugesetzt wurden. Die Ableitung der Kurve ergibt eine weitere Darstellung, die die Pufferkapazität gegenüber dem pH-Wert darstellt. Dieses Diagramm zeigt, dass die Pufferkapazität am höchsten ist, wenn der pH-Wert dem pKa-Wert entspricht und die Lösung eine gleiche Konzentration der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base enthält. Bei dieser schwachen Säure ist die Pufferkapazität bei pH 5 am höchsten, wo die Widerstandsfähigkeit gegenüber pH-Änderungen am höchsten ist. In der Regel sollte der Puffer der Wahl einen pKa-Wert haben, der innerhalb von plus/minus 1 Einheiten des gewünschten pH-Wertes liegt. Neben dem pKa -Wert hängt die Pufferkapazität auch von der Konzentration der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base in der Lösung ab. Je höher die Konzentration der Pufferspezies ist, desto höher ist die Pufferkapazität.

Die Pufferkapazität, dargestellt als Beta, ist das quantitative Maß für die Beständigkeit eines Puffers gegen pH-Änderungen bei Zugabe einer Säure oder Base. Sie wird ausgedrückt als die Anzahl der Mol Säure (C_a) oder Base (C_b), die einer Ein-Liter-Pufferlösung zugesetzt werden, bevor eine pH-Änderung der Einheit vorgenommen wird.

Je höher die Pufferkapazität, desto höher ist die Fähigkeit des Puffers, der pH-Änderung zu widerstehen.

Zu einer Säure mit pK_a gleich 5 wird die Anzahl der zugegebenen Mol Base gegen den pH-Wert aufgetragen. Die Ableitung der erhaltenen Kurve zeigt die höchste Pufferkapazität, wenn der pH-Wert gleich pK_a ist, wobei die Konzentration der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base in der Pufferlösung gleich ist. Der effektive pH-Bereich eines Puffers ist also eine Einheit mehr oder weniger als der pK_a.

Außerhalb des pH-Bereichs von 3-10 widersteht die vorhandene hohe Konzentration an H⁺- oder OH−-Ionen der ^pH-Änderung der zugesetzten Säure oder Base.

Die Konzentration der Pufferspezies bestimmt proportional die Pufferkapazität.