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Anorganische Chemie - Säure-Base-Puffer

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Anorganische Chemie

Säure-Base-Puffer

Säure-Base-Puffer sind Lösungen, die den Einfluss von starken Säuren oder starken Laugen auf den pH-Wert reduzieren, anders als bei ungepufferten Systemen. Genauer gesagt:

Merke

Säure-Base-Puffer puffern hinzugefügte Hydroxidionen und Oxoniumionen ab. Das erlaubt es den pH-Wert annähernd konstant zu halten. Die Bestandteile eines Puffersystems sind immer eine (schwache) Säure und ihre konjugierende Base. 

Einige der gängigsten Puffer sind Phosphatpuffer, Essigsäure-Acetat-Puffer oder Citratpuffer. 

Der Phosphatpuffer puffert im neutralen Bereich und beinhaltet das konjugierte Säure-Base-Paar Dihydrogenphosphation/Hydrogenphosphation $ H_2PO_4^- / HPO_4^{2-} $. Dabei überlagern sich folgende Gleichgewichte innerhalb der Lösung:

Methode

1. Gleichgewicht: $ H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + H_3O^+ $ 
$\rightarrow $ Hier findet eine leichte Verschiebung des Gleichgewichts nach rechts statt.

2. Gleichgewicht: $ HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons PO_4^{3-} + H_3O^+ $
$ \rightarrow $ Hier findet eine leichte Verschiebung des Gleichgewichts nach links statt, wodurch der pH-Wert leicht fällt. 

Wenn man nun dieser Pufferlösung eine Säure zugibt, so fängt die Base $ HPO_4^{2-} $ die in der Säure enthaltenen Oxoniumionen $ H_3O^+ $ ab indem sich Wasserteilchen $ H_2O $ und Säureteilchen $ H_2PO_4^- $ bilden.  
Nach der Zugabe ist die Konzentration der Puffersäure $ H_2PO_4^- $ gestiegen und die Konzentration der Pufferbase $ HPO_4^{2-} $ gesunken. 

Merke

Puffer/Puffersysteme erlauben es jedoch nicht Oxoniumionen und Hydroxidionen in unbegrenztem Umfang abzufangen. Ab einem gewissen Grad sind alle Pufferkomponenten aufgebraucht, weshalb dann keine zusätzlichen Ionen mehr gepuffert werden können. 

Mathematischer Zusammenhang des pH-Wertes einer Pufferlösung und deren Pufferkomponenten

 In diesem Abschnitt möchten wir nun die Puffergleichung, oder auch Henderson-Hasselbalch-Gleichung mathematisch herleiten. Hierzu stellen wir zuerst ein allgmeines Puffersystem auf:

Methode

Allgemeines Puffersystem: $ HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^- $

In der obigen Gleichung liegt eine schwache Säure $ HA $ und ihre konjugierende Base $ A^+ $ vor. Als Nächstes stellen wir die Gleichung für die Säurekonstante $ K_S $ auf und lösen diese anschließend nach $ H_3O^+ $ auf:

Methode

Säurekonstante: $ K_S = \frac{[H_3O+][A^-]}{HA}$

Auflösen nach $ H_3O^+ $ liefert:

$ [H_3O^+] = K_S \frac{[HA]}{[A^-]} $

Im nächsten Schritt logarithmieren wird diese Gleichung negativ dekadisch und erhalten:

Methode

Negativer dekadischer Logarithmus von $ H_3O^+ $: 

$ -lg ([H_3O^+]) = - lg (K_S) - lg \frac{[HA]}{[A^-]} $

Aus dieser Gleichung können wir folgenden mathematischen Zusammenhang ableiten:

Methode

Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

$ pH = pK_S + lg \frac{[konjugierte Base]}{[Säure]}$

$ pH = pK_S - lg \frac{[Säure]}{[konjugierte Base]}$

Sind die Konzentrationen von Säure und konjugierende Base identisch, so ist der $ pH-$Wert $= pK_S$ -Wert (der Säure) denn $ lg(1) = 0 $. 

Merke

Jede Änderung des Verhältnisses von Säure und konjugierende Base um den Faktor 10 [Erhöhung] bewirkt eine Änderung der pH-Wertes um eine Einheit [Senkung].