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Puffersysteme

Betrachtet man einmal eine Titrationskurve näher, so findet man Bereiche, in denen sich trotz stetigem Zusatz von H+ bzw. OH– Ionen der pH- Wert nur wenig ändert. Es hat sich nun gezeigt, daß gerade Mischungen aus einer mittelstarken Säure mit ihrer korrespondierenden Base Lösungen bilden, in denen bei Zugabe begrenzter Mengen an starken Säuren oder Basen der pH- Wert der Lösung nahezu konstant bleibt. Solche Lösungen werden als Pufferlösungen bezeichnet. puff1
Als Maß der Pufferwirkung wurde die Pufferkapazität β,die als reziproker Wert des Anstieges der pH/c- Kurve definiert ist, eingeführt (Gleichung 1).

Damit die Pufferkapazität immer ein positives Vorzeichen besitzt, wurde festgelegt, daß dc bei Basezusatz positiv und bei Säurezusatz negativ ist. Setzt man nun voraus, dass die Gleichgewichtskonzentration an Säure und Base gleich der Ausgangskonzentration ist, so gilt für den pH- Wert eines Puffersystemes Gleichung 2.
Mit einer praktisch verwertbaren Pufferkapazität eines Säure – Base Paares kann man nur in einem pH- Intervall pH =pKS +/- 1 rechnen.
Die Pufferkapazität hängt von der Gesamtkonzentration des Puffersystemes ab. Sie erreicht ihr Maximum für eine Zusammensetzung aus äquivalenten Mengen Puffersäure und Pufferbase. Für das Pufferniveau (den pH- Wert der Pufferlösung) gilt in diesem Fall pH=pkS. Der pH- Wert einer Pufferlösung ist weitgehend unabhängig von der Gesamtkonzentration, wenn das Konzentrationsverhältnis [S]/[B] konstant bleibt. Bei einer Verdünnung tritt deshalb keine wesentliche Änderung des pH-Wertes ein.
Der pKS– Wert der Säure eines Puffersystemes muß aus diesen Gründen nahe dem zu stabilisierenden pH-Wert liegen.
puff2
Als Puffersysteme verwendet man daher meist schwache Säuren und ihre Anionenbasen oder schwache Basen und ihre konjugierten Kationensäuren. Es gibt aber auch Puffer, deren Wirkung sich über einen Bereich größer zwei pH- Einheiten erstreckt. Sie werden entweder aus Säuregemischen oder mehrprotonigen Säuren hergestellt.

Besonders bedeutsam ist das Phänomen der Pufferung für den Ablauf biochemischer Prozesse:
Blut mit einem pH-Bereich von 7,35 bis 7,45 ist dabei ein wichtiges biologisches Puffersystem, welches auf dem Carbonat/ Hydrogencarbonat Puffer basiert.
Der pH Wert der Ozeane liegt zwischen 7,8 und 8,2. Als Puffer wirken vor allem Carbonat, Borat und die Sedimentgesteine.

Auch der Boden stellt ein recht kompliziertes Puffersystem dar!

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