Pufferldsungen

Praktische Aufgabenstellungen machen es mitunter notwendig, Losungen eines definierten pH-Wertes herzustellen, der daruber hinaus eine langere Zeit konstant ist. Die erste Forde – rung ist kein Problem. Losungen eines gewiinschten pH-Wertes lassen sich leicht durch geeignete Wahl der Konzentration entsprechender Sauren oder Basen herstellen. Schwieri – ger ist es schon, den pH-Wert der hergestellten Losung liber einen bestimmten Zeitraum konstant zu halten. Jede Losung nimmt aus der Luft CO2 auf. Damit wird sie starker sauer und der pH-Wert emiedrigt sich (Gl. 5-26 bis 5-28). Bewahrt man eine Losung liber lan­gere Zeit in einem GlasgefaB auf, konnen zusatzlich basische Verunreinigungen aus der GefaBwand herausgelost werden.

Pufferlosungen (Puffergemische) zeigen diese Probleme nicht. Sie ,,puffem“ die Wirkung der Hydroniumionen (Saurezugabe) und Hydroxidionen (Basezugabe) ab und halten damit den pH-Wert weitgehend konstant.

Puffergemische sind wassrige Losungen aus einer schwachen Saure (Base) und einem Salz dieser schwachen Saure (Base). Sie halten den pH-Wert weitgehend konstant, wenn Sauren oder Basen in begrenzter Menge zugegeben werden.

Pufferlosungen bestehen aus den beiden Bestandteilen eines korrespondierenden Saure – Base-Paares. Die in der Losung wirksame Saure HA wird als Pujfersaure, die wirksame Base В als Pufferbase bezeichnet.

Die quantitative Beschreibung der Puffergemische erfolgt durch die sogenannte Puffer – gleichung (nach Henderson-Hasselbalch, Gl. 6-73).). Sie wird durch einfache Umstellung der Defmitionsgleichung fur die Saurekonstante Ks der Puffersaure (Gl. 6-51) erhalten.

Подпись: c(HA) c(A~)

Pufferldsungen Подпись: (6-73)

c(H30+) = Ks •

Bei Berechnungen des pH-Wertes von Pufferlosungen wird fur c(HA) die Konzentration der Saure und fur c(A") die Konzentration des Salzes eingesetzt. Die maximale Pufferka – pazitat einer Pufferlosung ergibt sich nach Gl. (6-73) zu: pH =pKs. Entspricht der pH – dem pKs-Wert, liegen aquimolare Mengen an Salz und Saure vor.

Damit eine Pufferlosung effektiv wirksam ist, sollte das Stoffmengenverhaltnis von Saure zu Salz c(HA)/c(A”) im Bereich zwischen 1/10 und 10/1 liegen. Setzt man diese Stoffmen- genverhaltnisse in Gl. (6-73) ein, erhalt man die Beziehung (6-74).

Подпись: (6-74)pH = pKs ± 1

Innerhalb eines pH-Bereichs von pH = pKs ± 1 lasst sich der pH-Wert eines Pufferge – mischs durch Variation der Konzentrationen von Saure und Base gezielt einstellen (Puf- ferbereich).

Die Wirkungsweise eines Puffersystems soli am Beispiel des Essigsaure-Acetat-Puffers erklart werden. Die Pufferlosung soil x mol/1 Essigsaure und jc mol/1 Acetat (als Natrium – acetat) enthalten. Dem System liegt das Gleichgewicht Gl. (6-75) zugrunde.

Подпись: (6-75)

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CH3COOH + H20 — CH3COO- + H30+

Fur eine Losung, die aquimolare Mengen an Essigsaure und Natriumacetat enthalt (Ver – haltnis 1:1), ergibt sich ein pH-Wert von 4,75. Die Pufferkapazitat des Essigsaure-Acetat – Puffers liegt somit nach Gl. (6-74) im pH-Bereich von 3,75…5,75.

Gibt man der Pufferlosung eine Saure (H30+) zu, reagiert das Hydroniumion mit der Base CH3COO" unter Bildung von Essigsaure und Wasser. Gleichung (6-75) verlauft so lange von rechts nach links, bis sich das gestorte Gleichgewicht neu eingestellt hat. Setzt man der Losung Hydroxidionen (z. B. NaOH) zu, neutralisieren diese die sich im Gleichgewicht befindlichen H30+-Ionen. Das so gestorte Gleichgewicht stellt sich durch weitere Protolyse der Essigsaure wieder ein, indem Hydroniumionen nachgeliefert werden. Gleichung (6-75) verlauft von links nach rechts.

Die H30+-Ionen werden durch den Vorrat an Acetationen und die OH~-Ionen durch den Vorrat an Essigsauremolekulen abgepujfert. In beiden Fallen bleibt der pH-Wert weitge- hend konstant.

Sollen,,basische“ Pufferlosungen (pH > 7) hergestellt werden, so muss man konjugierte Saure-Base-Paare mit /?^-Werten > 7 verwenden. Als Beispiel soil der Ammoniumchlorid (NH4Cl)/Ammoniak (NH3)-Puffer angefuhrt werden. Der pKs – Wert der Kationsaure NH/ betragt 9,25. Damit liegt der Pufferbereich des Ammoniumchlorid/Ammoniak-Puffers (kurz: NH4+/NH3-Puffer) zwischen pH = 10,25 und 8,25.

Pufferlosungen spielen nicht nur bei zahlreichen technischen Prozessen, wie z. B. beim Galvanisieren, bei der Herstellung photographischer Schichten bzw. von Farbstoffen oder beim Gerben von Leder, eine wichtige Rolle. Die Reaktionen aller biologischen Systeme sind gepuffert. Ohne Puffersysteme ware Leben auf der Erde nicht moglich. Der Erdboden enthalt in der Humusschicht verschiedene Puffersysteme, von denen das System CaCCV Ca(HC03)2 eine besondere Bedeutung besitzt. Der Kohlensaure/Hydrogencarbonat (H2C03/HC03")-Puffer stellt auch das wichtigste Puffersystem fur das Blutplasma dar. Er halt den pH-Wert des menschlichen arteriellen Blutes konstant auf 7,40 ± 0,05. Ein Absin – ken des pH-Wertes des Blutes auf 7,0 iiber einen langeren Zeitraum ist lebensbedrohlich.