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Puffer Chemie Ein Puffer ist ein Stoffgemisch dessen pH Wert Konzentration der Oxoniumionen sich bei Zugabe einer Säure

Puffer (Chemie)

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

Puffer sind die in der Chemie gezielt hergestellten, wässrigen Pufferlösungen. Komplexere Puffersysteme liegen in Körperflüssigkeiten wie dem Blut oder auch in Grundwässern, die beispielsweise mit Humus in Wechselwirkung stehen, vor.

Chemische Grundlagen Bearbeiten

Gleichgewichtslagen eines Puffersystems einer schwachen Säure HA mit Ks = 10−5 und ihrer konjugierten bzw. korrespondierenden Base A− in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung. Der Verlauf der Kurve wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben. Liegen HA und A− in gleichen Konzentrationen vor, ist der pH-Wert gleich dem pKs-Wert. Der Pufferbereich der Lösung (__) liegt dann in einem pH-Bereich von ±1.

Pufferlösungen enthalten eine Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten bzw. korrespondierenden Base (bzw. des jeweiligen Salzes) oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten bzw. korrespondierenden Säure. Auch Ampholyte (bifunktionale Moleküle) können als Puffer dienen. Der den pH-Wert bestimmende Faktor ist das Verhältnis bzw. das Protolyse-Gleichgewicht des Pufferpaares.

Für das Säure-Base-Gleichgewicht einer Säure HA gilt:

Nach dem Massenwirkungsgesetz stünde zu erwarten, dass in den Nenner zusätzlich noch die Konzentration des Wassers aufgenommen wird. Da aber Wasser hier nicht nur Reaktionspartner, sondern auch Lösemittel ist, gilt hier für die Aktivität des Wassers a(H2O) = 1, so dass sie sich rechnerisch nicht auf das Ergebnis auswirkt. Fälschlicherweise wird oft argumentiert, die Konzentration des Wassers im Reaktionsgemisch sei im Vergleich zu den Ionenkonzentrationen mit 55,6 mol/l sehr groß, dürfe daher als konstant angesehen werden und werde definitionsgemäß in die Dissoziationskonstante Ks (der Säurekonstante) hineingezogen, doch das führt zu falschen Werten, einschließlich der Fehlbehauptung, es gelte pKS (H3O+) = −1,32, womit das Oxonium-Ion stärker sauer wäre als etwa die Salpetersäure, definitionsgemäß eine starke Säure.

Durch Umformen erhält man:

Bildet man hieraus den negativen dekadischen Logarithmus, erhält man:

Dies entspricht:

beziehungsweise:

Mit dieser Gleichung – sie gilt unter der Näherung, dass die Aktivitäten der Stoffe ihren Konzentrationen in Lösung entsprechen – lässt sich bei bekanntem pKs-Wert für einen bestimmten pH-Wert das Konzentrationsverhältnis an Säure und Base ermitteln. Je höher die Konzentrationen sind, desto geringer wirken sich Zugaben von Säuren oder Basen aus. Die Menge an starker Base (oder Säure), die durch eine Pufferlösung ohne wesentliche Änderung des pH-Wertes aufgenommen werden kann, wird durch die Pufferkapazität ausgedrückt.

Beispiele für Pufferlösungen sind der Essigsäure/Acetat-Puffer oder der Ammoniumpuffer aus Ammoniumionen und Ammoniak.

Arten von Puffersystemen Bearbeiten

Der Carbonatpuffer (eine Mischung aus Kohlensäure und Hydrogencarbonaten) regelt die CO2-Konzentration zwischen Atmosphäre, Ozeanen und der Biosphäre. Er ist auch der Hauptteil des Blutpuffers. Dieser hält den pH-Wert des Blutes zwischen pH 7,35 und 7,45 und gleicht die durch den Stoffwechsel verursachten Schwankungen aus. Bei einem pH-Wert unterhalb von 7,35 spricht man von einer Azidose, über 7,45 von einer Alkalose. Der Tod tritt bei pH-Werten unter 6,8 bzw. über 8,0 ein.

Betrachtet man ein Puffersystem, so muss zwischen geschlossenen und offenen Puffersystemen unterschieden werden. Bei einem geschlossenen Puffersystem (z. B. Essigsäure/Acetat-Puffer) werden die bei einer chemischen Reaktion entstehenden Protonen (H+) oder Hydroxid-Ionen (OH−) von der Puffersubstanz abgefangen. Sie reagieren zu der entsprechenden korrespondierenden bzw. konjugierten Säure oder Base des Puffers und verbleiben demnach in der Lösung. Bei einem offenen Puffersystem (z. B. dem Hydrogencarbonat-/CO2-Puffersystem in der Lunge) steht das System im Austausch mit der Umgebung. Es ist in der Lage, durch Abgabe einer Komponente an die Umgebung den entsprechenden pH-Wert aufrechtzuerhalten, z. B. durch Abatmen von CO2.

Bedeutung Bearbeiten

Puffer haben eine wichtige Bedeutung in der technischen Chemie wie beispielsweise bei der Galvanisierung oder in der Analogfotografie, genauso wie in der Analytik.

Auch spielen Puffersysteme in der Bodenkunde eine wichtige Rolle; siehe hierzu Pufferbereich (Bodenkunde).

Bedeutung in den Biowissenschaften: Für viele Tiere und nicht zuletzt auch für den menschlichen Organismus sind Puffer unerlässlich. So ist das menschliche Blutplasma und viele Enzyme auf einen konstanten pH-Wert angewiesen. Ohne Puffer würden bereits kleinste Mengen Säure – z. B. Milchsäure aus dem Energiestoffwechsel – genügen, um den Organismus lahmzulegen, weil diverse Proteine denaturieren und somit unbrauchbar werden würden.

Beispiele Bearbeiten

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

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Ein Puffer ist ein Stoffgemisch dessen pH Wert Konzentration der Oxoniumionen sich bei Zugabe einer Saure oder einer Base wesentlich weniger stark andert als es in einem ungepufferten System der Fall ware Die Wirkung des Puffers beruht auf der Umsetzung der durch die Saure bzw Base zugefuhrten Oxoniumionen H3O bzw der Hydroxidionen OH zu schwachen Sauren bzw Basen die selbst nur wenig zur Bildung von H3O bzw OH Ionen neigen Puffer sind die in der Chemie gezielt hergestellten wassrigen Pufferlosungen Komplexere Puffersysteme liegen in Korperflussigkeiten wie dem Blut oder auch in Grundwassern die beispielsweise mit Humus in Wechselwirkung stehen vor Inhaltsverzeichnis 1 Chemische Grundlagen 2 Arten von Puffersystemen 3 Bedeutung 4 Beispiele 5 Siehe auch 6 WeblinksChemische Grundlagen Bearbeiten nbsp Gleichgewichtslagen eines Puffersystems einer schwachen Saure HA mit Ks 10 5 und ihrer konjugierten bzw korrespondierenden Base A in Abhangigkeit vom pH Wert der Losung Der Verlauf der Kurve wird durch die Henderson Hasselbalch Gleichung beschrieben Liegen HA und A in gleichen Konzentrationen vor ist der pH Wert gleich dem pKs Wert Der Pufferbereich der Losung liegt dann in einem pH Bereich von 1 Pufferlosungen enthalten eine Mischung aus einer schwachen Saure und ihrer konjugierten bzw korrespondierenden Base bzw des jeweiligen Salzes oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten bzw korrespondierenden Saure Auch Ampholyte bifunktionale Molekule konnen als Puffer dienen Der den pH Wert bestimmende Faktor ist das Verhaltnis bzw das Protolyse Gleichgewicht des Pufferpaares Fur das Saure Base Gleichgewicht einer Saure HA gilt K S c H 3 O c A c H A displaystyle K mathrm S frac c mathrm H 3 O cdot c mathrm A c mathrm HA nbsp Nach dem Massenwirkungsgesetz stunde zu erwarten dass in den Nenner zusatzlich noch die Konzentration des Wassers aufgenommen wird Da aber Wasser hier nicht nur Reaktionspartner sondern auch Losemittel ist gilt hier fur die Aktivitat des Wassers a H2O 1 so dass sie sich rechnerisch nicht auf das Ergebnis auswirkt Falschlicherweise wird oft argumentiert die Konzentration des Wassers im Reaktionsgemisch sei im Vergleich zu den Ionenkonzentrationen mit 55 6 mol l sehr gross durfe daher als konstant angesehen werden und werde definitionsgemass in die Dissoziationskonstante Ks der Saurekonstante hineingezogen doch das fuhrt zu falschen Werten einschliesslich der Fehlbehauptung es gelte pKS H3O 1 32 womit das Oxonium Ion starker sauer ware als etwa die Salpetersaure definitionsgemass eine starke Saure Durch Umformen erhalt man c H 3 O K s c H A c A displaystyle c mathrm H 3 O K mathrm s cdot frac c mathrm HA c mathrm A nbsp Bildet man hieraus den negativen dekadischen Logarithmus erhalt man lg c H 3 O lg K s lg c H A c A displaystyle lg c mathrm H 3 O lg K mathrm s lg frac c mathrm HA c mathrm A nbsp Dies entspricht p H p K S lg c H A c A displaystyle mathrm pH mathrm p K mathrm S lg frac c mathrm HA c mathrm A nbsp beziehungsweise p H p K S lg c A c H A displaystyle mathrm pH mathrm p K mathrm S lg frac c mathrm A c mathrm HA nbsp Henderson Hasselbalch Gleichung Puffergleichung Mit dieser Gleichung sie gilt unter der Naherung dass die Aktivitaten der Stoffe ihren Konzentrationen in Losung entsprechen lasst sich bei bekanntem pKs Wert fur einen bestimmten pH Wert das Konzentrationsverhaltnis an Saure und Base ermitteln Je hoher die Konzentrationen sind desto geringer wirken sich Zugaben von Sauren oder Basen aus Die Menge an starker Base oder Saure die durch eine Pufferlosung ohne wesentliche Anderung des pH Wertes aufgenommen werden kann wird durch die Pufferkapazitat ausgedruckt Beispiele fur Pufferlosungen sind der Essigsaure Acetat Puffer oder der Ammoniumpuffer aus Ammoniumionen und Ammoniak Arten von Puffersystemen BearbeitenDer Carbonatpuffer eine Mischung aus Kohlensaure und Hydrogencarbonaten regelt die CO2 Konzentration zwischen Atmosphare Ozeanen und der Biosphare Er ist auch der Hauptteil des Blutpuffers Dieser halt den pH Wert des Blutes zwischen pH 7 35 und 7 45 und gleicht die durch den Stoffwechsel verursachten Schwankungen aus Bei einem pH Wert unterhalb von 7 35 spricht man von einer Azidose uber 7 45 von einer Alkalose Der Tod tritt bei pH Werten unter 6 8 bzw uber 8 0 ein Betrachtet man ein Puffersystem so muss zwischen geschlossenen und offenen Puffersystemen unterschieden werden Bei einem geschlossenen Puffersystem z B Essigsaure Acetat Puffer werden die bei einer chemischen Reaktion entstehenden Protonen H oder Hydroxid Ionen OH von der Puffersubstanz abgefangen Sie reagieren zu der entsprechenden korrespondierenden bzw konjugierten Saure oder Base des Puffers und verbleiben demnach in der Losung Bei einem offenen Puffersystem z B dem Hydrogencarbonat CO2 Puffersystem in der Lunge steht das System im Austausch mit der Umgebung Es ist in der Lage durch Abgabe einer Komponente an die Umgebung den entsprechenden pH Wert aufrechtzuerhalten z B durch Abatmen von CO2 Bedeutung BearbeitenPuffer haben eine wichtige Bedeutung in der technischen Chemie wie beispielsweise bei der Galvanisierung oder in der Analogfotografie genauso wie in der Analytik Auch spielen Puffersysteme in der Bodenkunde eine wichtige Rolle siehe hierzu Pufferbereich Bodenkunde Bedeutung in den Biowissenschaften Fur viele Tiere und nicht zuletzt auch fur den menschlichen Organismus sind Puffer unerlasslich So ist das menschliche Blutplasma und viele Enzyme auf einen konstanten pH Wert angewiesen Ohne Puffer wurden bereits kleinste Mengen Saure z B Milchsaure aus dem Energiestoffwechsel genugen um den Organismus lahmzulegen weil diverse Proteine denaturieren und somit unbrauchbar werden wurden Beispiele BearbeitenBarbital Acetat Puffer nach Michaelis pH 2 6 bis 9 2 Essigsaure Acetat Puffer pH 3 7 bis 5 7 Ringerlosung Good Puffer darunter z B HEPES 4 2 Hydroxyethyl 1 piperazinethanesulfonsaure pH 6 8 bis 8 2 HEPPS 4 2 Hydroxyethyl piperazin 1 propansulfonsaure pH 7 3 bis 8 7 MES 2 N Morpholino ethansulfonsaure pH 5 2 bis 6 7 Kohlensaure Silicat Puffer pH 5 0 bis 6 2 schwach sauer Phosphatpuffer nach Sorensen pH 5 4 bis 8 0 Phosphatgepufferte Salzlosung Tyrode Losung Phosphat Citrat Puffer nach McIlvaine Kohlensaure Bicarbonat System pH 6 2 bis 8 6 neutral Hanks Salze Earle Salze Scott Puffer TRIS Tris hydroxymethyl aminomethan pH 7 2 bis 9 0 TE Puffer TBS Puffer TBS T Puffer Ammoniakpuffer NH3 H2O NH4Cl pH 8 2 bis 10 2 Citronensaure oder Citratpuffer Alseversche Losung SSC Puffer Bouin Losung Elektrophoresepuffer Tris Glycin Puffer TBS Puffer TAE Puffer TBE Puffer TPE Puffer Lithiumborat Puffer ProbenpufferSiehe auch BearbeitenDissoziation Chemie SaureregulatorWeblinks BearbeitenPufferlosung pH Wert Rechner Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Puffer Chemie amp oldid 233873359