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Puffersysteme Was sind Puffersysteme

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Puffersysteme
Was sind Puffersysteme?
Wasser hat den pH-Wert 7. Gibt man nun 0,1 mol Salzsäure hinzu, ändert sich der pH-Wert von 7 auf 1, da die Salzsäure protolysiert.
Doch was passiert, wenn man die gleiche Menge Salzsäure in eine Pufferlösung gibt? Der pH-Wert bleibt gleich!
Also was sind Puffer? Ein Puffer ist ein Stoffgemisch, bei dem der pH-Wert gleichbleibt, auch wenn eine Säure oder Base hinzugefügt wird. Puffersysteme halten den pH-Wert konstant, indem sie mit den Säuren / Basen reagieren und diese so abschwächen.

Woraus bestehen Puffersysteme? Ein Puffersystem besteht immer aus einem schwachen konjugierten Säure-Base-Paar. Entweder eine schwache Säure und ihre konjugierte Base oder eine schwache Base und ihre konjugierte Säure.

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Es gibt zwei verschiedene Arten von Puffern: geschlossene Systeme und offene Systeme. Bei geschlossenen Systemen verbleiben alle Ionen im System, wohingegen beim offenen System ein Austausch mit anderen Systemen stattfinden kann (später dazu mehr).

Was sind konkrete Anwendungsfälle für Puffersysteme? Zum einen lässt sich allgemein der pH-Wert von chemischen Lösungen konstant auf einem Level halten. In der Natur entsäuert sich der Boden beispielsweise nach saurem Regen durch ein Puffersystem und wird gleichzeitig mit Nährstoffen angereichert. Am wichtigsten ist wahrscheinlich die Bedeutung für den menschlichen Blutkreislauf. Ein Puffersystem hält den pH-Wert nahezu konstant, was lebensnotwendig ist.

Geschlossenes Puffersystem
Ich zeige das Funktionsprinzip eines geschlossenen Puffersystems am Essigsäure-Acetat-Puffersystem. Essigsäure ist eine schwache Säure mit einem pKs = 4,75 und kann in Verbindung mit ihrer konjugierten Base (Acetat-Ionen) als Puffer eingesetzt werden. Essigsäure und Acetat-Ionen befinden sich in gleicher Konzentration in der Lösung (Verhältnis 1:1).

Was passiert bei der Zugabe von Säuren zu dem System? Zuerst brauchen wir die Reaktionsgleichung. Essigsäure reagiert mit Wasser zu Acetat-Ionen und Oxonium-Ionen.

Jetzt gibt man eine Säure hinzu. Dadurch erhöht sich die Konzentration der Oxonium-Ionen, also der Produkte. Das Reaktionsgleichgewicht verschiebt sich nach links (je nach Größenordnung der Änderung). Die hinzugegebenen Oxonium-Ionen reagieren mit Acetat-Ionen zurück zu Essigsäure und Wasser, sodass sich der pH-Wert nicht oder unwesentlich ändert. Gleichzeitig wird dabei aber „Pufferkonzentration” verbraucht, in diesem Fall die Konzentration von den Acetat-Ionen. Ein Puffersystem kann nur eine begrenzte Menge von Säuren und Basen abschwächen. Das ist abhängig von der Konzentration des Puffersystems.

Was passiert bei der Zugabe von Basen? Der Prozess ist ähnlich. Die Reaktionsgleichung ist erstmal die gleiche. Gibt man nun eine Base in das System, protolysiert diese zu Hydroxid-Ionen (OH-). Die Hydroxid-Ionen erhöhen die Eduktkonzentration, da sie gleichzeitig mit dem Wasser als Base mit der Essigsäure reagieren können. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts zu den Produkten. Essigsäure reagiert mit OH- zu Acetat-Ionen und Wasser, sodass die zusätzlichen OH- Ionen wieder entfernt werden.

Dies ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie sich der pH-Wert ohne Puffer (grüne Kurve) und wie er sich mit Puffer bei Zugabe von Salzsäure bzw. Natronlauge ändert. Man erkennt, dass mit Puffer der pH-Wert sich nur schwach verändert.

Offenes Puffersystem
Nun zeige ich, wie ein offenes Puffersystem funktioniert am Beispiel vom Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer im menschlichen Blut. Das Blut muss immer einen exakten pH-Wert haben, dieser liegt etwa bei 7,4. Wird dieser Wert stark überschritten oder unterschritten, stirbt man. Das Kohlensäure-Hydrogencarbonat-System im Blut schafft es, den pH-Wert des Blutes auf 7,4 zu halten, mit einer Abweichung von nur ca. 0,02.

Wie es das schafft, erkläre ich jetzt. Zuerst benötigen wir die Reaktionsgleichung. Kohlensäure reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat und Hydronium-Ionen.
Gelangt nun eine Säure oder eine Base in das Blut, geschieht das gleiche wie beim Essigsäure-Acetat-System. Die Oxonium-Konzentration erhöht sich, weshalb die Rückreaktion verstärkt wird und sich das Gleichgewicht nach links verschiebt. Die Oxonium-Ionen werden ausgeglichen, doch die Hydrogencarbonat-Konzentration wird geringer.

Jetzt kommt die Besonderheit eines offenen Puffersystems. Die Edukte und Produkte müssen nicht im System verbleiben, sondern können mit anderen System ausgetauscht werden.
So kann die Kohlensäure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren. Das Kohlenstoffdioxid kann anschließend über die Lunge ausgeatmet werden. Die Edukte werden somit verringert, wodurch sich das Gleichgewicht wieder verschiebt. Andersherum kann Kohlenstoffdioxid auch wieder mit Wasser zu Kohlensäure reagieren und die Eduktkonzentration somit erhöhen.

Gleichzeitig können auf der Seite der Produkte die Hydrogencarbonat- und Oxonium-Ionen über die Niere ausgeschieden und so die Produkte aus dem System entnommen werden, was das Gleichgewicht wieder verschiebt.

In diesem Beispiel hat sich das Gleichgewicht durch Zugabe einer Säure nach links verschoben. Nun könnten über die Niere Teile der Produkte ausgeschieden werden, um das Gleichgewicht wieder in die Mitte zu verschieben.

pH-Wert einer Pufferlösung
Den pH-Wert einer Pufferlösung können wir nicht ohne weiteres mit den bekannten Formeln bestimmen, da die Konzentrationen von konjugierter Säure und Base nicht den Konzentrationen der normalen Protolyse entsprechen. Daher brauchen wir eine neue Gleichung, die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.

Diese Gleichung kann man aus dem Massenwirkungsgesetz herleiten. Wir starten mit dem Ks-Wert. Die Produktkonzentration wird durch die Eduktkonzentration geteilt, wobei mit der Wasserkonzentration multipliziert wurde.

Zuerst multiplizieren wir mit der Konzentration der Säure. Wenn wir jetzt die Wurzel davon ziehen haben wir die Gleichung für den pH-Wert schwacher Säuren. Das können wir hier aber nicht machen, da die Konzentration der Oxonium-Ionen nicht der Konzentration der konjugierten Base entsprechen. Deshalb teilen wir durch c(A-).
Damit haben wir die Konzentration der Oxonium-Ionen. Davon nehmen wir jetzt den negativen dekadischen Logarithmus. Und daraus folgt mit den Logarithmusgesetzen pH = pKs – log (c(HA) / c(A-)).
Dann schreibt man die Formel noch um, zum positiven Logarithmus und hat die Henderson-Hasselbalch-Gleichung, mit der man den pH-Wert eines Puffersystems bestimmen kann.

Beispielrechnung
Man löst Essigsäure und NatriumAcetat gleicher Konzentration in Wasser und erhält ein Essigsäure-Acetat-Puffersystem. Die Konzentration von NatriumAcetat und Essigsäure ist 0,1 mol / l. Der pKs-Wert von Essigsäure ist 4,75.

Wir benutzen die Henderson-Hasselbalch-Gleichung und setzen ein. Der pH-Wert ist der pKs-Wert plus den Logarithmus aus dem Verhältnis der Konzentrationen.
Da das Konzentrationsverhältnis 1 ist und der Logarithmus von 1 = 0 ist (weil 10^0 = 1), fällt der zweite Teil der Gleichung weg.
Der pH-Wert entspricht in diesem Fall ungefähr dem pKs-Wert (nur wenn die Konzentrationen von Säure und Base gleich groß sind. Meistens wird aber ein Verhältnis von 1:1 gewählt).

Wie ändert sich pH bei Zugabe von 0,01 mol Salzsäure?
Wir haben unseren Essigsäure-Acetat-Puffer. Dort geben wir nun 0,01 mol Salzsäure hinein.

Die Konzentration von Essigsäure und Acetat-Ionen sind 0,1 mol / l. Die Stoffmenge von Salzsäure ist 0,01 mol.
Zuerst schauen wir uns die Protolysegleichung zwischen Essigsäure und Acetat an. Von beidem gibt es jeweils eine Stoffmenge von 1 mol.

Die Salzsäure protolysiert im Wasser komplett. Das heißt aus 0,01 mol HCl werden 0,01 mol Oxonium-Ionen.

Diese hinzugegebenen Oxonium-Ionen werden vom Puffer abgefangen. Sie reagieren mit Acetat-Ionen zurück zu Essigsäure und Wasser. Dabei reagieren 0,01 mol Oxonium-Ionen mit 0,01 mol Acetat-Ionen.

Die Konzentration der Acetat-Ionen erniedrigt sich daher um 0,01 mol / l und die der Essigsäure steigt um denselben Betrag.

Dann setzen wir einfach in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ein und erhalten als Ergebnis einen pH-Wert von 4,66.

Der pH-Wert ist also um 0,09 gesunken, bei einer Zugabe von 0,01 mol Salzsäure.
Das entspricht auch dem Wert, den ihr eben im Diagramm sehen konntet.

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