Puffersysteme

Allgemeines Gießt man in destilliertes Wasser eine geringe Menge an Säure oder Lauge, so ändert sich der pH-Wert sofort ganz beträchtlich. Der pH von Wasser ist also gegenüber sauren oder alkalischen Zusätzen wenig beständig. Im Gegensatz dazu sind Pufferlösungen gegenüber solchen Zusätzen sehr unempfindlich. Man kann also erhebliche Mengen Säure oder Lauge in eine Pufferlösung gießen, ohne dass sich der pH-Wert nennenswert ändert.

Ein chemischer Puffer ist eine Lösung, deren pH-Wert sich auch nach Zugabe von Säure oder Lauge kaum ändert.

Damit eine Pufferlösung die über die Säure zugesetzten Hydronium-Ionen abfangen kann, muss eine Base vorhanden sein.

Damit eine Pufferlösung die über die Lauge zugesetzten Hydroxid-Ionen abfangen kann, muss eine Säure vorhanden sein.

Will man eine Pufferlösung herstellen, so wählt man oft eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrem Alkalisalz, also einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base, z.B. Ethansäure (Essigsäure) und Natriumacetat. Das Protolysegleichgewicht sieht dann so aus:

CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-

Die Reaktionsgleichung gleicht zwar der Protolysereaktion der Ethansäure, die Pufferlösung könnte aber z.B. eine Mischung von Ethansäure und Natriumacetat im Stoffmengenverhältnis 1 : 1 sein. Die Na+-Ionen sind der Einfachheit halber weggelassen. Die Folge des Acetat-Zusatzes ist, dass das chemische Gleichgewicht soweit nach links verschoben wird, dass die Konzentrationen von CH3COOH und CH3COO- praktisch gleich sind. Die Acetat-Ionen im Puffer stammen nahezu alle aus dem zugesetzten Natriumacetat und nicht mehr aus der Protolyse der Säure. Der Ausdruck für die Säurekonstante KS lautet dann:



Unter der Annahme c(Ethansäure) = c(Acetat) wird KS = c(H3O+) oder pKS = pH.

In anderen Worten: Der pH-Wert, um den herum die Pufferwirkung existiert, entspricht dem pKS der Säure. Der pKS der Ethansäure beträgt 4,76. Damit puffert das System um den pH 4,76.

Wird dem Puffer also Säure zugesetzt, erhöht man die Konzentration der hydronium-Ionen (H3O+). Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links. Dabei werden zwar Acetat-ionen verbraucht. Ihre Konzentration ist aber genügend groß, dass dies über lange Phasen hin möglich bleibt.

Wird dem Puffer Lauge zugesetzt, fängt man damit die Hydronium-Ionen ab, erniedrigt also ihre Konzentration. Das Gleichgewicht wird dadurch nach rechts verschoben. Aber auch von der dabei verbrauchten Ethansäure sind beträchtliche Mengen vorhanden, so dass dies gelingen kann.
Über die Konzentration der Säure bzw. ihrer konjugierten Base lässt sich die Pufferkapazität steuern, also die Menge an Säure bzw. Lauge, die vom Puffersystem abgefangen werden kann.


Beispiele aus der Chemie

Während der oben beschriebene Puffer als Acetatpuffer bezeichnet wird und im Bereich zwischen pH 4,5 bis 5 puffert, kennt man in der angewandten Chemie weitere Systeme, die man benötigt, um bestimmte Vorgänge bei konstantem pH ablaufen zu lassen. So puffert der Phosphatpuffer (Er enthält NaH2PO4 und Na2HPO4) um pH 7. Der Ammoniakpuffer (NH4Cl und NH3) hält den pH im Bereich zwischen pH 9 und 9,5 konstant.

Pufferlösungen spielen aber auch in biologischen System eine wichtige Rolle.


Die Puffersysteme des Blutes

Blut weist einen nahezu konstanten pH-Wert von etwa 7,4 auf. Das wichtigste Puffersystem im Blut ist das Hydrogencarbonatsystem (Bicarbonatpuffer) bestehend aus der Kohlensäure bzw. Kohlenstoffdioxid (CO2) und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3-). Daneben wirken Proteine (Eiweiße) als Puffer (Proteinatpuffer). Eine wichtige Rolle innerhalb dieses Systems spielt das Hämoglobin, also der rote Blutfarbstoff. In geringen Umfange (zu etwa 2% an der Gesamtpufferkapazität des Blutes) ist auch der bereits genannte Phosphatpuffer beteiligt.


Puffersysteme des Bodens

Böden sind komplexe Systeme aus anorganischen und organischen Bestandteilen. Auch hier sind Puffersysteme am Werk, die z.B. von Wurzeln ausgeschiedene Säuren unschädlich machen. in Nadelwäldern gelangen Säuren aber auch über sauer verwitternde Nadelstreu in den den Boden. Auch das Gestein, aus dem sich der Boden durch Verwitterung bildet, kann zu einem Säureschub beitragen. So verwittert z.B. Granit sauer. Eine weitere Quelle sind Eintragungen aus der Luft (\"Saurer Regen\"). In Kombination kann der Gesamtsäureeintrag dazu führen, dass die Pufferkapazität eines Bodens nicht mehr ausreicht. Die Versauerung kann dann derartig stark zunehmen, dass Pflanzen (Bäume) geschädigt werden. Dies kann durch die Säuren direkt geschehen. Bei niedrigen pH-Werten werden aber auch aus Bodenpartikel Aluminium-Ionen herausgelöst, die auf Pflanzen toxisch (giftig) wirken.