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Puffersysteme

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Vorbemerkung •  Essigsäure (Ethansäure) ist eine schwache Säure (Rkt. 1 unten), •  das Acetation (die konjugierte Base) ist folglich eine relativ starke Base

(Rkt. 2 unten). •  Gießt man Lösungen beider Stoffe zusammen, erfolgt eine partielle

Neutralisation (Rkt. 3 unten). •  Das Gleichgewicht wurde in Richtung Neutralpunkt verschoben. •  In der Lösung sind sowohl H+ wie auch Ac– vorhanden.

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Definition

•  Ein Puffer ist ein Stoffgemisch, dessen pH-Wert (Konzentration der Oxoniumionen) sich bei Zugabe einer Säure oder einer Base wesent-lich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Die Wirkung des Puffers beruht auf der Umsetzung der durch die Säure bzw. Base zugeführten Oxoniumionen (Hydronium-ionen, H3O+) bzw. der Hydroxidionen (OH−) zu schwachen Säuren bzw. Basen, die selbst nur wenig zur Bildung von H3O+ bzw. OH−−Ionen neigen. (Quelle: Wikipedia)

•  Ergänzung: Puffer sind aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten (starken) Base aufgebaut.

•  Besonderheit: Äquimolarer Puffer, hierbei gilt c(HA) = c(A–) bzw. [HA] = [A–]

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Ausgangsbeispiel Gesucht ist 1.  der pH-Wert einer 1-molaren Essigsäurelösung (KS = 1,78 * 10–5) und 2.  der pH-Wert dieser Lösung nach Zusatz von 1 Mol Natriumacetat

(bezogen auf einen Liter)

Es liegt also ein äquimolarer Puffer vor, da [HA] = [A–].

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Lösung Schritt 1

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Lösung Schritt 2

Da die konjugierte Base mit H3O+ reagiert, wird der pH-Wert größer, er nähert sich dem Neutralpunkt an.

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pH-Änderung bei Säure- oder Basenzugabe zu Wasser

Überlegung: Wie groß ist die Änderung des pH-Wertes bei Zugabe von 10 mL einer 1-m HCl bzw. NaOH in dest. Wasser?

[H3O+] = 0,01, d. h. pH = 2 [OH–] = 0,01, d. h. pOH = 2 bzw. pH = 12

Dies entspricht einer Änderung um 5 pH-Einheiten ins saure bzw. basische Milieu.

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Bestimmung der Pufferwirkung

Wie ändert sich der pH-Wert eines 1-molaren äquimolaren Puffersystems aus Ethansäure (HAc) und Natriumacetat (NaAc) bei Zugabe von

1.  0,01 mol H3O+ bzw. 2.  0,01 mol OH–

Dies entspricht dem Zusatz der Salzsäure bzw. Natronlauge aus vorheriger Folie.

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Pufferwirkung bei Säurezusatz

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Betrachtet werden muss die Situation vor und nach dem Zusatz der Säure. Da Ac– mit H+ aus der Säure reagiert verringert sich die Ac–-Konzentration um die zugesetzte H+-Konzentration

Die Werte der letzten Zeile setzt man in das MWG ein und formt um:

Pufferwirkung bei Laugenzusatz

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Die Betrachtung erfolgt analog zum Säurezusatz, nur wird nun die Säure-konzentration vermindert und die Konzentration der konjugierten Base erhöht:

Eingesetzt und umgeformt ergibt sich:

Sowohl bei Säure- wie bei Basenzugabe fällt die pH-Wertänderung in einem Puffersystem deutlich milder als bei Zugabe zu reinem Wasser aus.

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Nicht-äquimolare Puffersysteme

•  Äquimolare Puffersysteme sind besonders einfach zu berechnen. •  Ein Puffersystem muss nicht zwangsläufig äquimolar sein. •  Berechnung nicht-äquimolarer Puffer geht wieder vom MWG aus:

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Henderson-Hasselbalch-Gleichung für beliebige Puffer

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Eine gute Pufferwirkung tritt ein, wenn das Konzentrationsverhältnis von Säure und Base zwischen 10:1 und 1:10 liegt. Dann gilt pH = pKS ± 1