Puffersysteme und -gleichgewicht

Wenn Du zu einer Essigsäure-Lösung Natriumhydroxid gibst, so erhöht sich der pH-Wert. Wenn Du den Verlauf des pH-Werts verfolgst, wirst Du aber Unterschiede zum Verlauf der Neutralisation von Salzsäure und NaOH beobachten.

Das Puffergleichgewicht

Eine Pufferlösung besteht aus einer schwachen Säure und ihre konjugierte Base (oder umgekehrt). Das besondere dabei ist, dass bei Zugabe von Säure oder Base der ph-Wert stabil bleibt oder sich in gewissen Umfang nur gering ändert.

Das Gleichgewicht solcher Systeme kann aus der Säurekonstante hergeleitet werden:

$K_S=\frac {c(H_3O^+)\cdot c(A^-)}{c(HA)}$

Durch Umstellen und Einsetzen ergibt sich (Erinnerung: Der pK_S-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Säurekonstante):

$pH=pK_S+log \frac{c(A^-)}{c(HA)}$

Dies ist die Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Mit ihrer Hilfe kannst Du berechnen, in welchem Verhältnis Säure und Base vorliegen müssen, um einen bestimmten pH-Wert zu erreichen.

Es können als 3 grundlegende Fälle unterscheiden werden:

$pH<pK_S$	bzw.	$c(H_3O^+) > K_S$	bzw.	$c(HA) > c(A^-)$
$pH=pK_S$		$c(H_3O^+) = K_S$		$c(HA) = c(A^-)$
$pH>pK_S$		$c(H_3O^+)< K_S$		$c(HA) < c(A^-)$

Bei gleicher Konzentration von Essigsäure und Natriumacetat in einer Lösung stellt sich also der pH-Wert 4,75 ein, da der pK_s-Wert von Essigsäure 4,75 beträgt. In diesem Bereich wird auch die grösste Pufferwirkung erreicht, da hier das Verhältnis von Säure und Base 1:1 ist.

Beispielrechnung:

Berechne die Veränderung des pH-Wertes eines Essigsäure/Acetatpuffers mit je $1 \frac{mol}{l}$ Säure und Base bei Zusatz von Salzsäure bis zu einer Konzentration von 0.05 $\frac{mol}{l}$ .

Der pH-Wert des Puffers ist wie oben schon erwähnt pH = 4.75.

Die hinzugefügte Salzsäure reagiert mit dem Natriumacetat zu Essigsäure und Kochsalz. Deshalb ändert sich in der Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

$pH=4.75+ log \frac{c(A^-)-c(HCl)}{c(HAc)+c(HCl)} \\pH=4.75+ log \frac{1\frac {mol}{l}-0.05\frac{mol}{l}}{1\frac {mol}{l}+0.05\frac {mol}{l}} \\pH = 4.71$

Die Änderung des pH-Werts beträgt also 0.04. Salzsäure eine starke Säure und dissoziiert in Wasser vollständig, das heisst normalerweise würdest Du 0.05 $\frac{mol}{l}$ $H_3O^+$ und einen pH-Wert von etwa 1.3 erwarten. Ein Grossteil der Protonen von der Salzsäure werden aber vom Acetat aufgefangen, wodurch sich der pH-Wert nur marginal erhöht. Das bezeichnet man als Pufferwirkung. Puffer sind überall dort wichtig, wo es einen konstanten pH-Wert braucht, also zum Beispiel in Deinem Körper!

Aber Achtung! Wenn Du so viel Salzsäure hinzufügst, dass alles Acetat protoniert wird, verändert sich der pH-Wert bei weiterer Zugabe wieder sehr schnell. Puffersysteme haben eine begrenzte Kapazität.