Puffer

Beobachtung

Folgende Messwerte könntest du bei deinem Experiment erhalten haben (Abb. 6). Bei destilliertem Wasser und der Natriumchlorid-Lösung ist eine starke Änderung des pH-Wertes zu beobachten, während die Natriumhydrogencarbonat-, die Natriumdihydrogenphosphat- und die Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung relativ stabile pH-Werte aufweisen. Die Natriumacetat-Lösung weist bei Zugabe einer sauren Lösung einen relativ konstanten pH-Wert auf, während er bei Zugabe einer basischen Lösung deutlich ansteigt.

Erklärung

Natriumhydrogencarbonat, Natriumdihydrogenphosphat und Dinatriumhydrogenphosphat halten den pH-Wert relativ konstant. Die enthaltenen Hydrogencarbonat-Ionen \(\ce{(HCO_3^-)}\) bzw. Dihydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(H_2PO_4^-)}\) bzw. Hydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(HPO_4^{2-})}\) haben die Besonderheit, dass sie, je nach zugegebener Chemikalie, als Brönsted-Säure oder Brönsted-Base wirken, also Protonen aufnehmen oder abgeben können. Es findet dann jeweils eine Neutralisationsreaktion statt, wodurch sich die Zugabe der Säure- bzw. Base-Lösung nicht so stark auf den pH-Wert auswirkt. Zudem liegt nach der Reaktion jeweils ein Puffergemisch aus Säure und korrespodierender Base vor. Daher wirken diese drei Stoffe sowohl bei Zugabe einer kleinen Menge basischer Lösung als auch einer kleinen Menge saurer Lösung als Puffer und halten den pH-Wert relativ konstant.

Natriumhydrogencarbonat

Wird beispielsweise zur Natriumhydrogencarbonat-Lösung etwas Salzsäure-Lösung hinzugegeben, reagiert ein Teil der Lösung folgendermaßen:

Die Hydrogencarbonat-Ionen reagieren mit den Oxonium-Ionen der Salzsäure-Lösung zu Kohlensäure-Molekülen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{HCO_3^- + H_3O^+  -> H_2CO_3 + H_2O}\)

Da nur eine geringe Menge Säure zugegeben wurde, reagiert die Lösung nicht vollständig nach der obigen Reaktionsgleichung. In der Lösung liegen somit auch noch Hydrogencarbonat-Ionen \(\ce{(HCO_3^-)}\) vor. Die Hydrogencarbonat-Ionen und die entstehende Kohlensäure \(\ce{(H_2CO_3)}\) bilden gemeinsam ein Puffergemisch, wobei die Kohlensäure die Säure und das Hydrogencarbonat-Ion die korrespondierende Base ist. Dieses Puffersystem kommt übrigens in unserem Blut vor.

Bei Zugabe von Natronlauge zur Natriumhydrogencarbonat-Lösung läuft folgende Reaktion ab:

Die Hydrogencarbonat-Ionen reagieren mit den Hydroxid-Ionen der Natronlauge zu Carbonat-Ionen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{HCO_3^-  + OH^- ->  CO_3^{2-} + H_2O}\)

Hier liegt nun ein Puffergemisch aus Hydrogencarbonat-Ionen \(\ce{(HCO_3^-)}\) als Säure und Carbonat-Ionen \(\ce{(CO_3^{2-})}\) als ihre korrespondierende Base vor.

Natriumdihydrogenphosphat

Bei einer Natriumdihydrogenphosphat-Lösung, welche mit der Salzsäure-Lösung versetzt wird, läuft folgende Reaktion ab:

Dihydrogenphosphat-Ionen reagieren mit Oxonium-Ionen zu Phosphorsäure-Molekülen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{H_2PO_4^- + H_3O^+  ->  H_3PO_4 + H_2O}\)

In diesem Fall bilden Dihydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(H_2PO_4^-)}\) und Phosphorsäure-Moleküle \(\ce{(H_3PO_4)}\) das Puffersystem.

Bei Zugabe von Natronlauge läuft folgende Reaktion ab:

Dihydrogenphosphat-Ionen reagieren mit Hydroxid-Ionen zu Hydrogenphosphat-Ionen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{H_2PO_4^-  + OH^- -> HPO_4^{2-} + H_2O}\)

Hier liegt nun ein Puffergemisch aus Dihydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(H_2PO_4^-)}\) als Säure und Hydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(HPO_4^{2-})}\) als korrespondierende Base vor.

Dinatriumhydrogenphosphat

Wird die Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung mit der Salzsäure-Lösung versetzt, reagieren diese folgendermaßen miteinander:

Hydrogenphosphat-Ionen reagieren mit Oxonium-Ionen zu Dihydrogenphosphat-Ionen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{HPO_4^{2-} + H_3O^+ -> H_2PO_4^- + H_2O}\)

Das Puffersystem besteht ais Hydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(HPO_4^{2-})}\) als Base und Dihydrogenphosphat-Ionen \(\ce{(H_2PO_4^-)}\) als korrespondierende Säure.

Wird zur Dinatriumhydrogenphosphat-Lösung Natronlauge hinzugegeben, findet folgende Reaktion statt:

Hydrogenphosphat-Ionen reagieren mit Hydroxid-Ionen zu Phosphat-Ionen und Wasser-Molekülen.

\(\ce{HPO_4^{2-}  + OH^- -> PO_4^{3-} + H_2O}\)

In diesem Puffersystem bildet das Hydrogenphosphat-Ion \(\ce{(HPO_4^{2-})}\) die Säure, während das Phosphat-Ion \(\ce{(PO_4^{3-})}\) die korrespondierende Base ist.

Natriumacetat

Wird zu einer Natriumacetat-Lösung eine Salzsäure-Lösung hinzugegeben, reagiert das Natriumacetat als Base und nimmt Protonen auf:

Acetat-Ionen reagieren mit Oxonium-Ionen zu Essigsäure und Wasser.

\(\ce{ CH_3COO^- + H_3O^+ -> CH_3COOH + H_2O}\)

Es bildet sich ein Puffersystem, welches Essigsäure \(\ce{(CH_3COOH)}\) als Säure und das Acetat-Ion \(\ce{(CH_3COO^-)}\) als korrespondierende Base enthält. Zudem findet eine Neutralisationsreaktion statt, wodurch sich die zugegebenen Oxonium-Ionen nicht so stark auf den pH-Wert auswirken. Durch die Bildung von Essigsäure bzw. genau genommen durch die Oxonium-Ionen, welche sich bei der Protolyse von Essigsäure in Wasser bilden, sinkt der pH-Wert dennoch etwas ab.

Wird hingegen Natronlauge zur Natriumacetat-Lösung hinzugegeben, ist (fast) kein Reaktionspartner vorhanden, der als Brönsted-Säure wirken und in einer Neutralisationsreaktion mit der Natronlauge reagieren kann. Zwar ist es so, dass wenn Natriumacetat in Wasser gelöst wird, sich in der Lösung folgendes Gleichgewicht einstellt zwischen Acetat-Ionen und Essigsäure-Molekülen:

Acetat-Ionen und Wasser-Moleküle reagieren zu Essigsäure-Molekülen und Hydroxid-Ionen.

\(\ce{CH_3COO^- + H_2O <--> CH_3COOH + OH^-}\)

Das Gleichgewicht liegt aber deutlich auf Seiten der Acetat-Ionen. Die zugegebenen Hydroxid-Ionen werden somit in der Natriumacetat-Lösung nicht oder kaum abgepuffert und es kommt zu einer starken Änderung des pH-Wertes.

Natriumchlorid und dest. Wasser

Natriumchlorid löst sich in Wasser. Es liegen also Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen vor. In einer Natriumchlorid-Lösung sind somit keine Ionen in der Lösung vorhanden, welche als Brönsted-Säure oder -Base wirken können. Die zugegebene Säure- bzw. Basen-Lösung sorgt daher direkt und ungepuffert für einen Anstieg bzw. ein Absinken des pH-Wertes.  Auch beim dest. Wasser ist keine Pufferwirkung möglich, weswegen der pH-Wert stark ansteigt bzw. absinkt.