Gibst du in Wasser mit Universalindikator ein paar Topfen einer sauren oder basischen Lösung, so verändert sich die Farbe sehr deutlich. Gibst du in eine Puffer-Lösung mit Universalindikator einige Tropfen einer Säure oder Base, lässt sich kaum eine Farbänderung feststellen. Wieso ist das so?
Bei einer Pufferlösung verändert sich der pH-Wert trotz Zugabe einer starken Säure oder Base (bzw. deren wässriger Lösung) bis zu einer gewissen Grenze nicht. Eine Pufferlösung besteht meist aus der wässrigen Lösung einer schwachen bis mittelstarken Säure oder Base und einem Salz mit ihrem korrespondierenden Rest-Ion in etwa gleicher Konzentration. Die Pufferlösung oben ist eine wässrige Lösung mit Essigsäure (\(\ce{CH3COOH}\)) und Natriumacetat (\(\ce{NaCH3COO}\)) in gleicher Konzentration. Gibst du diesem System eine Säure hinzu, reagieren die Oxonium-lonen mit Acetat-Ionen, bis sich das gestörte Gleichgewicht neu eingestellt hat. Die Oxonium-lonen werden also weitgehend gebunden, der pH-Wert sinkt nur wenig.
\(\ce{H3O+ + CH3COO- <=> H2O + CH3COOH} \)
Wie für alle Säure-Base-Reaktionen, lässt sich auf für Puffer das Massenwirkungsgesetz aufstellen.
\(\rm{K_S = \frac{c(\ce{CH3COO-}) \cdot c(\ce{H3O+})}{c(\ce{CH3COOH})}}\)
Durch Umformung der Gleichung, kann die Konzentration an Oxonium-Ionen berechnet werden.
\(\rm{c(\ce{H3O+}) = K_S \cdot \frac{c(\ce{CH3COOH})}{c(\ce{CH3COO-})}} \)
Durch den negativen dekadischen Logarithmus über die gesamte Gleichung ergibt sich die Henderson-HasselbaIch-GIeichung:
\(\rm{\ce{pH} = \ce{pK_{S}} - lg\left( \frac{c(\ce{CH3COOH})}{c(\ce{CH3COO-})} \right)} \)
Vielleicht kennst du die Gleichung in einer etwas anderen Form. Der einzige Unterschied ist, dass der Bruch im Logarithmus umgedreht wurde. Dadurch muss auch das Vorzeichen umgedreht werden.
\(\rm{\ce{pH} = \ce{pK_{S}} + lg\left( \frac{c(\ce{CH3COO-})}{c(\ce{CH3COOH})} \right)} \)
Diese Gleichung ist grundlegend für die Berechnung des pH-Wertes einer Pufferlösung. Aus ihr ist leicht zu ersehen, dass der pH-Wert einer Pufferlösung gleich dem pKs-Wert der eingesetzten Säure ist, wenn die Konzentrationen der Säure und der korrespondierenden Base gleich sind.
Eine Pufferlösung selbst herstellen
Möchtest du eine Pufferlösung mit einem bestimmten pH-Wert herstellen, brauchst du eine schwache Säure oder Base, deren pKs-Wert in der Nähe des gewünschten pH-Wertes liegt. Durch die Wahl des Verhältnisses von \(\rm{c(\ce{CH3COOH})}\) und \(\rm{c(\ce{CH3COO-})}\) kann der genaue pH-Wert festgelegt werden.
Aufgabe
Beispielrechnung
Eine Pufferlösung von \(\rm{100\,ml}\) enthält Essigsäure der Konzentration \(\rm 1 \frac{mol}{L}\) und Natriumacetat der Konzentration \(\rm 1 \frac{mol}{L}\). Der pKs-Wert von Essigsäure beträgt \(\rm{4,75}\).
Aufgabe
Frage 1: Wie groß ist der pH-Wert der Pufferlösung?
Gegeben:
\(\rm{c(\ce{CH3COOH}) = 1 \frac{mol}{L}}\)
\(\rm{c(\ce{CH3COO-}) = 1 \frac{mol}{L}}\)
\(\rm{\ce{pK_{S}(CH_3COOH)} = 4,75}\)
Gesucht: pH
Aufgabe
Frage 2: Wie ändert sich der pH-Wert für den Fall, dass der Pufferlösung \(\pu{10\,ml}\) Chlorwasserstoff-Lösung mit der Konzentration \(\ce{c \,=\, 0,1\, mol/L}\) hinzugegeben werden?
Aufgabe
Frage 3: Wie stark würde sich der pH-Wert ändern, wenn du \(\ce{10\,ml}\) der obigen Chlorwasserstofflösung zu \(\ce{100\,ml}\) destilliertem Wasser geben würdest?
Joachim Herz Stiftung; Jonas Trautner
Ein Puffersystem kann nicht beliebig viel Oxonium- oder Hydroxid-Ionen abpuffern. Die Abbildung zeigt ein Beispiel, bei dem nach Zugabe von etwa 8 ml Natronlauge die Änderung des pH-Wertes stark zunimmt. An dieser Stelle sind praktisch keine Essigsäuremoleküle mehr vorhanden, sondern fast nur noch Acetat-Ionen. Die Pufferkapazität, also die Menge an Säure oder Base, die ein Puffer verkraftet, ohne dass der Pufferbereich überschritten wird, ist ein wichtiges Charakteristikum eines Puffers.
Aus Pufferungskurven wie in der Abbildung können auch die pH-abhängigen Existenzbereiche der Partner korrespondierender Säure-Base-Paare abgelesen werden. So liegt bei pH < 3 das Paar Essigsäure/ Acetat-Ion fast ausschließlich in Form von Essigsäure vor, Acetat-Ionen sind nahezu nicht vorhanden. Bei pH > 7 sind umgekehrt praktisch nur Acetat-Ionen und kaum Essigsäuremoleküle vorhanden. Zwischen pH = 3 und pH = 7 liegen beide Teilchenarten bzw. eine puffernde Lösung vor.