Elemente und Moleküle, Schulbuch

60 4 ANoRGANISCHe ReAKtIoNStYPeN Pufferlösungen Pufferlösungen halten den pH-Wert bei Zugabe einer nicht allzu großen Menge Säu- re bzw. Base konstant (Abb. 60.1). Pufferlösungen bestehen aus einer schwachen Säure und einer schwachen Base. Sind Säure und Base konjugiert, spricht man von einer konjugierten Pufferlösung. (In diesem Fall müssen Säure und konjugierte Base einen p K -Wert im mittleren Bereich aufweisen). Pufferlösungen verhindern das Auftreten freier H 3 O + - und OH – -Ionen. Die Pufferbe- standteile reagieren mit diesen Ionen vollständig; es verschiebt sich nur das Kon- zentrationsverhältnis Puffersäure/Pufferbase. Die Puffersäure reagiert mit den OH – -Ionen der zugegebenen Base: HA + OH – A – + H 2 O Die Pufferbase reagiert mit den H 3 O + -Ionen der zugegebenen Säure: A – + H 3 O + HA + H 2 O Anhand der Reaktionsgleichungen erkennt man, dass sich bei Basen- bzw. Säurezu- gabe nur das Verhältnis von Puffersäure zu Pufferbase ändert. Ein Puffer ist am wirksamsten, wenn die Pufferbestandteile ungefähr in gleicher Konzentration vor- liegen. pH-Wert von Pufferlösungen Es liegt ein Protolysengleichgewicht vor; im Unterschied zur „normalen“ Säurepro- tolyse wird von Beginn an eine gewisse Menge konjugierte Base zugesetzt. HA + H 2 O A – + H 3 O + Zu Beginn: c Säure viel c Base 0 Im Gleichgewicht: c Säure – x viel c Base + x x x kann hier vernachlässigt werden; bereits bei schwachen Säuren haben wir die Vereinfachung getroffen: c 0 – x ~ c 0 . x ist hier noch deutlich kleiner, da durch das Vorhandensein der konjugierten Base die Protolyse zurückgedrängt wird. Man kommt daher auch zur gleichen Puffergleichung , wenn die Base stärker ist (über- prüfen!). Liegen Säure und Base in gleichen Konzentrationen vor (1:1-Puffer) gilt: c 0 (Base) = c 0 (Säure) pH = p K A Da die Konzentrationen der Pufferbestandteile in diese Beziehung nicht eingehen, ändert sich der pH-Wert des Puffers beim Verdünnen nicht. Trotzdem sollten die Konzentrationen nicht zu gering sein, weil sonst die Wirkung des Puffers schnell erschöpft ist. Die Menge Säure bzw. Base, die ein Puffer abfangen kann, bezeichnet man als Pufferkapazität . HA + HOH + H A HA + A - A - + H OH + A - + H 3 O + + OH – Puffer- lösung K A = x • c (Base) c (Säure) x = c g (H 3 O + ) = K A • c (Säure) c (Base) pH = p K A – lg c (Säure) c (Base) HCl Pufferlösung pH-Meter 7.00 Wasser pH-Meter 7.00 Wasser pH-Meter 3.00 Pufferlösung pH-Meter 6.90 HCl 1:1-Pufferlösung c 0 (Base) = c 0 (Säure) pH = p K A – lg 1 = p K A – 0 pH = p K A pH = p K A – lg c (Säure) c (Base) 8 7 6 5 4 3 2 1 10 30 50 70 90 pH Zugabe von HCl (c = 1 mol/L) in mL 1 L Wasser 1 L Pufferlösung 0,1-mol/L [NaH 2 PO 4 /Na 2 HPO 4 ] Pufferkapazität Abb. 60.4: pH-Änderung einer Pufferlösung Abb. 60.3: pH-Wert des 1:1-Puffers Abb. 60.2: Henderson-Hasselbalch´sche Puffergleichung Abb. 60.1: Wirkung einer Pufferlösung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv