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Tutorial MenueSäuren und BasenLerneinheit 5 von 8

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 pH-Wertes, das heißt solche Lösungen ändern ihren pH-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:

HA+ H2O H3O++ A

Die Gleichung zeigt, dass die Konzentration an Säure und konjugierter Base von der H3O+-Ionenkonzentration beziehungsweise dem pH-Wert der Lösung abhängt.

Aus der Beziehung für die Säurekonstante

K a = [ H 3 O + ] [ A - ] [ HA ]

ergibt sich durch Umstellen

[ H 3 O + ] = K a [ HA ] [ A - ]

oder

pH = p K a + lg [ A - ] [ HA ]

Dies ist die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.

Mit Hilfe dieser Beziehung kann man für einen beliebigen pH-Wert ausrechnen, in welchem Verhältnis Säure und konjugierte Base im Gleichgewicht vorliegen. Es ergibt sich:

[ H 3 O + ] > K a oder pH < p K a oder [ HA ] > [ A - ] [ H 3 O + ] = K a oder pH = p K a oder [ HA ] = [ A - ] [ H 3 O + ] < K a oder pH > p K a oder [ HA ] < [ A - ]

Der pKa-Wert trennt also die pH-Bereiche, in denen vorwiegend eine Säure oder vorwiegend ihre konjugierte Base beständig ist. Der pKa-Wert der Essigsäure beträgt 4,75. Bei einem pH 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 pH-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 pH-Wert registriert. Da der pH-Wert am Wendepunkt der Pufferkurve dem pKa-Wert entspricht, kann man aus der experimentell ermittelten Pufferkurve auch den pKa-Wert einer Säure bestimmen. Entsprechendes gilt für Basen.

Bei Betrachtung der Pufferkurven sieht man, dass die Pufferwirkung, das heißt geringe Veränderung des pH-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 pH-Wert ändert sich nicht drastisch.

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