Säure Base Chemie
Säure Base Reaktionen
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Was ist eine Pufferlösung und wie funktioniert sie? Das und vieles mehr beantworten wir dir in unserem Beitrag!

Was ist ein Puffer?

Eine Pufferlösung, Puffersystem oder auch Puffer, ist ein Stoffgemisch aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base. Puffer zeichnen sich dadurch aus, dass der pH-Wert bei Zugabe einer Säure oder einer Base gleich bleibt. 

Weil Pufferlösungen ihren pH-Wert stabil halten können, finden sie häufig Anwendung in der Biochemie. Hier helfen sie dabei, dass Reaktionen unter einem konstanten pH-Wert ablaufen.

In unseren Zellen und in unserem Blut sind Puffersysteme ebenfalls von großer Bedeutung.%Alle wichtigen Informationen aus dem Beitrag findest du auch in unserem Video!

Wirkungsweise von Puffersystemen

Die Aufgabe einer Pufferlösung ist es, den pH-Wert relativ konstant zu halten. Schauen wir uns die Wirkungsweise mal anhand eines Essig-Acetat-Puffers an. Er besteht aus einer wässrigen Lösung mit einem Verhältnis 1:1 von Essigsäure (CH3COOH) und der konjugierten Base Acetat (CH3COO). Die Reaktion befindet sich dabei im Gleichgewicht:

CH3COOH + H2OCH3COO + H3O+

Reaktion bei Zugabe einer Säure
Gibst du nun eine Säure in das Puffersystem, dann befinden sich mehr Oxonium-Ionen (H3O+) in der Lösung. Durch die erhöhte Konzentration der H3O+-Ionen der rechten Seite, läuft jetzt die Rückreaktion zu Essigsäure und Wasser verstärkt ab (Prinzip-vom-kleinsten-Zwang ). Die zusätzlichen Oxonium-Ionen werden durch die verstärkte Rückreaktion abgebaut. Der pH-Wert pendelt sich wieder ein.

CH3COOH + H2O \ce{<<=>} CH3COO + H3O+

Reaktion bei Zugabe einer Base
Bei Zugabe einer Base in die Pufferlösung findet die umgekehrte Reaktion statt. Durch die Base erhöht sich die Konzentration der Hydroxid-Ionen (OH). Dadurch reagiert die Essigsäure verstärkt und baut die Hydroxid-Ionen ab. Die Hydroxid-Ionen reagieren daher nicht mit den H3O+-Ionen. Der pH-Wert bleibt quasi gleich.

CH3COOH + OH \ce{<=>>} CH3COO + H2O

Hinweis: Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch eine wässrige Lösung ist. Je niedriger der pH-Wert ist, desto mehr Wasserstoffionen befinden sich in der Lösung und desto sauerer ist das Gemisch.

Das Optimum der Pufferlösung

Das Optimum der Pufferlösung ist der pH-Bereich, in dem sich bei Zugabe einer Säure (Oxonium-Ionen) oder einer Base (Hydroxid-Ionen) der pH-Wert der Pufferlösung am wenigsten ändert. Der pH-Bereich des Optimums entspricht dabei dem pKs-Wert der Puffersäure.

Hinweis: Der pKs-Wert gibt an, wie stark oder schwach eine Säure in einer wässrigen Lösung ist. Je kleiner der pKs-Wert, desto stärker ist die Säure. Sie gibt somit leichter ihre Protonen ab. Dadurch entstehen mehr Oxonium-Ionen (H3O+) in der Lösung.

Innerhalb des pH-Bereiches liegen die Puffersäure und die Pufferbase im Verhältnis 1:1 vor. Dadurch können sowohl zugefügte Oxonium-Ionen als auch Hydroxid-Ionen gut abgepuffert werden.

Ist der pH-Wert der Pufferlösung kleiner als der pKs-Wert der Säure, dann liegt mehr Puffersäure in der Lösung vor. Dadurch können Hydroxid-Ionen zwar besser abgefangen werden, die Oxonium-Ionen jedoch nicht. So wird das Puffersystem saurer.

Bei einem höheren pH-Wert als der pKs-Wert ist mehr Pufferbase in der Lösung enthalten. Die Folge ist, dass Hydroxid-Ionen schlechter abgefangen werden und das Puffersystem alkalisch wird. %</span><img class="" src="https://slideplayer.org/slide/2459861/8/images/8/Puffersysteme+Pufferungskurve+einer+Essigs%C3%A4ure-Acetat-Pufferl%C3%B6sung.jpg" alt="Pufferlösungen - unterrichtsbegleitendes Forum" width="392" height="294" /><span style="color: #ff00ff;"> % @Animation: bitte c(Essigsäure): 0,1mol weglassen, Bildbeschriftung: Das Optimum der eines Essisäure-Acetat-Puffers, Alttext: Pufferlösung, Puffersystem, Puffer, Optimum der Pufferlösung, Puffer Chemie, puffern, was ist ein Puffer, Puffer Definition, pH Pufferlösungen, pH Pufferlösung, Puffer berechnen, Pufferlösung herstellen, Puffer Berechnung, Pufferlösung berechnen, Säure-Base-Puffer

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Das Optimum der eines Essisäure-Acetat-Puffers

Merke: In der Regel unterscheidet sich der pH-Wert der Pufferlösung nicht mehr als ± 1-Einheiten vom pKs-Wert der Puffersäure.

Arten von Pufferlösungen

Hier geben wir dir einen Überblick über einige typische Pufferlösungen und ihren pH-Bereich. 

Puffer pH-Bereich
Essigsäure-Acetat-Puffer 3,7 bis 5,7
Phosphatpuffer 5,4 bis 8,0
Ammoniakpuffer 8,2 bis 10,2
Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer 6,2 bis 8,6
Kohlensäure-Silikat-Puffer 5,0 bis 6,2
Veronal-Acetat-Puffer nach Michaelis  2,6 bis 9,2
Pufferlösung herstellen

Eine Pufferlösung ist sehr leicht herzustellen. Dafür mischst du einfach:

  • eine schwache Säure mit ihrem Salz bzw. ihrer konjugierten Base
  • eine schwache Base mit ihrem Salz bzw. ihrer konjugierten Säure

pH-Wert Puffer berechnen

Für die Berechnung des pH-Wertes eines Puffersystems gehst du von der allgemeinen Reaktionsgleichung einer Säure-Base-Reaktion aus:

HA + H2OA + H3O+

Hierbei steht HA für die Puffersäure und A für die Base. Den pH-Wert des Puffers kannst du nun ganz leicht mit der Henderson-Hasselbach-Gleichung (Puffergleichung) berechnen:

pH =pKs \cdot log \frac{c(\textcolor{olive}{A^-})} {c(\textcolor{orange}{HA})}

  • c (A) = Konzentration der Pufferbase in (mol/l)
  • c(HA)= Konzentration der Puffersäure in (mol/l)
  • pKs = pKs-Wert der Puffersäure

Wenn du wissen willst, wie die Henderson-Hasselbach-Gleichung hergeleitet wird oder die Rechnung an einem Beispiel sehen möchtest, dann schau dir jetzt unser Video dazu an!

Pufferlösung — häufigste Fragen

  • Was ist ein Puffer?
    Ein Puffer ist ein Stoffgemisch, bei dem der pH-Wert bei Zugabe einer Säure oder einer Base bis zu einem gewissen Punkt gleich bleibt.

  • Woraus besteht ein Puffer?
    Ein Puffer besteht aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base.

  • Wie funktioniert eine Pufferlösung?
    Die Wirkung eines Puffers beruht auf der Umsetzung der zugegebenen Hydroxid- oder Oxonium-Ionen. Die Puffersäure gibt Protonen ab und kann dadurch Hydroxid-Ionen neutralisieren. Die Pufferbase nimmt Protonen auf und neutralisiert so zugegebene Oxonium-Ionen.

  • Wie wird der pH-Wert eines Puffersystems berechnet?
    Der pH-Wert eines Puffers lässt sich mit der Henderson-Hasselbach-Gleichung (Puffergleichung) berechnen.

  • Welche Pufferlösungen gibt es?
    Beispiele für Pufferlösungen sind Essigsäure-Acetat-Puffer, Phosphatpuffer und der Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer.

pKs-Wert

Das pH-Optimum eines Puffersystems entspricht dem pKs-Wert der Puffersäure. Was der pKs-Wert dir sonst noch alles verrät und wie du ihn bestimmen kannst, erfährst du in unserem kurzen Video dazu!%Thumbnail pKs-Wert

pKs-Wert
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pKs-Wert

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