Pufferlösungen
Puffergleichgewichte
Unter Pufferlösungen versteht man Lösungen, die eine schwache Säure und ihre konjugierte Base (oder umgekehrt) nebeneinander enthalten. Der praktische Nutzen von gepufferten Lösungen liegt in einer Stabilisierung des -Wertes, das heißt solche Lösungen ändern ihren -Wert bei Zusatz nicht zu großer Mengen an starken Säuren oder Basen nur geringfügig. Zur Beschreibung von Puffergleichgewichten dient die bekannte Gleichung für die Protolyse einer schwachen Säure in Wasser:
Die Gleichung zeigt, dass die Konzentration an Säure und konjugierter Base von der H3O+-Ionenkonzentration beziehungsweise dem -Wert der Lösung abhängt.
Aus der Beziehung für die Säurekonstante
ergibt sich durch Umstellen
oder
Dies ist die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Mit Hilfe dieser Beziehung kann man für einen beliebigen -Wert ausrechnen, in welchem Verhältnis Säure und konjugierte Base im Gleichgewicht vorliegen. Es ergibt sich:
Der -Wert trennt also die -Bereiche, in denen vorwiegend eine Säure oder vorwiegend ihre konjugierte Base beständig ist. Der -Wert der Essigsäure beträgt 4,75. Bei einem von 4,75 liegen zu gleichen Teilen Essigsäuremoleküle und Acetationen vor. Gibt man zu der Lösung eine starke Säure, zum Beispiel durch Zugabe von Salzsäure, so treten Acetationen mit H3O+-Ionen zu Essigsäure zusammen, das heißt in der Lösung überwiegt die Essigsäurekonzentration. Stellt man -Werte größer 4,75 ein, so überwiegt die Konzentration an Acetationen.
Pufferkurven kann man experimentell erhalten, indem man die betreffende Säure mit starken Basen titriert und fortlaufend den -Wert registriert. Da der -Wert am Wendepunkt der Pufferkurve dem -Wert entspricht, kann man aus der experimentell ermittelten Pufferkurve auch den -Wert einer Säure bestimmen. Entsprechendes gilt für Basen.
Bei Betrachtung der Pufferkurven sieht man, dass die Pufferwirkung, das heißt geringe Veränderung des -Wertes am besten in dem Bereich erfüllt wird, wo Gemische von schwachen Säuren und ihren konjugierten Basen im Verhältnis von etwa 1:1 vorliegen. Ein Zusatz von starken Säuren oder Basen verändert natürlich das Mengenverhältnis, aber der -Wert ändert sich nicht drastisch.