Das Besondere an einem Puffer(system) ist, dass sich dessen pH-Wert bei Zugabe einer Säure oder Base in einem gewissen Konzentrationsbereich nicht wesentlich ändert. Da es sich bei einem System aus Säure und (korrespondierender) Base oder umgekehrt um ein Puffersystem handelt, kann die Henderson-Hasselbalch- Gleichung bei pH-Wert-Berechnung von Puffersystemen verwendet werden.
Eine wichtige Größe bei der Beschreibung von Puffersystemen ist der sogenannte Pufferbereich. Der Pufferbereich ist der pH-Bereich, in dem sich der pH-Wert des Puffers bei Zugabe von Säure oder Base nicht wesentlich ändert. Man bezeichnet den Pufferbereich auch als den “Wirkbereich” eines Puffers, denn nur in diesem pH-Bereich ist die Pufferwirkung wirksam. Der Pufferbereich kann aus der Henderson-Hasselbalch-Gleichung abgeleitet werden und lautet: pH = pKs ± 1
Der Pufferbereich eines Puffers
Um den Pufferbereich eines Puffers abzuleiten, verwenden wir die Henderson-Hasselbalch-Gleichung: pH = pKs + log (c(Base) : c(Säure))
Wie wir sehen, spielt die Säurekonstante (die Säure, die sich im Puffergemisch befindet) eine wesentliche Rolle. Daher ist der Pufferbereich auch immer abhängig von der Säurestärke der verwendeten Säure.
Den Wirkungsbereich eines Puffers können wir uns mit Hilfe eines mathematischen Tricks erschließen. Dazu betrachten wir die Logarithmusfunktion. Im Rahmen der Definition liegt ein “echtes” Puffersystem vor, wenn das (Konzentrations) Verhältnis aus Säure / konjugierter Base bzw. Base / konjugierter Säure im Bereich zwischen 1 : 10 und 10 :1 liegt. Bilden wir hiervon den Logarithimus, so kommen wir auf den Wert ± 1.
Daher gilt als Formel für den Pufferbereich: pH = pKs ± 1
Ein Puffer ist eine Lösung, die den pH-Wert annähernd konstant hält, auch wenn Säuren oder Basen hinzugefügt werden.
Ein chemischer Puffer funktioniert durch Neutralisierung von hinzugefügten Säuren oder Basen durch eine schwächere Säure oder Base, die bereits in der Lösung vorhanden ist.
Die zwei Hauptbestandteile eines Puffersystems sind eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beinhaltet den pH-Wert, den pKa-Wert, sowie Konzentrationen der Säure und der Base.
Ein Beispiel für ein natürliches Puffersystem ist das Blut, welches Säuren und Basen neutralisiert, um den pH-Wert konstant zu halten.
Zwei Beispiele für Säure-Base-Paare in Puffersystemen sind Essigsäure/Acetat und Ammonium/Ammoniak.
Die Konzentrationen von Säure und Base in einem Puffer berechnet man mit Hilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Die Pufferkapazität ist die Menge von Säure oder Base, die ein Puffer neutralisieren kann, ohne dass sich der pH-Wert signifikant ändert.
Wenn die Pufferkapazität überschritten wird, kann der Puffer keine Säuren oder Basen mehr neutralisieren und der pH-Wert ändert sich stark.
Der pH-Wert eines Puffers hängt von der Relation der Konzentrationen der Säure und der Base, sowie vom pKa-Wert der schwachen Säure ab.