Wie ein Puffer funktioniert
Ein Puffer ist eine Lösung aus einer schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base, etwa Essigsäure und Natriumacetat. Gibt man eine starke Säure hinzu, fängt das Acetat die zusätzlichen Protonen ab. Kommt Lauge hinzu, gibt die Essigsäure Protonen ab. Der pH-Wert ändert sich deshalb viel weniger als in reinem Wasser.
Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung folgt direkt aus dem Massenwirkungsgesetz der schwachen Säure. Sie verknüpft den pH-Wert mit dem pKs und dem Verhältnis der Konzentrationen von Base und Säure. Sind beide gleich groß, ist der Logarithmus null und der pH entspricht genau dem pKs. An diesem Punkt ist die Pufferwirkung am stärksten.
Entscheidend ist das Verhältnis, nicht die absolute Konzentration. Ein Puffer aus 0,1 und 0,05 mol/l hat denselben pH wie einer aus 0,01 und 0,005 mol/l. Die absolute Konzentration bestimmt aber die Pufferkapazität, also wie viel Säure oder Lauge der Puffer aufnehmen kann, bevor er zusammenbricht.
Puffer richtig auswählen und ansetzen
Wählen Sie ein Puffersystem, dessen pKs möglichst nahe am gewünschten pH liegt. Wirksam ist ein Puffer etwa eine pH-Einheit ober- und unterhalb seines pKs, also bei Verhältnissen zwischen 1 : 10 und 10 : 1. Der Rechner zeigt diesen Bereich an und weist darauf hin, wenn Ihre Mischung außerhalb liegt.
pKs-Werte hängen von Temperatur und Ionenstärke ab. Der Tris-Puffer etwa verschiebt seinen pKs um rund 0,03 Einheiten je Grad. Tabellenwerte gelten meist für 25 °C und unendliche Verdünnung. Prüfen Sie deshalb den Wert für Ihre Bedingungen und stellen Sie den fertigen Puffer im Zweifel mit einem pH-Meter nach.
Im Labor setzt man Puffer häufig an, indem man die Säure vorlegt und mit Natronlauge bis zum Ziel-pH titriert. Die Rechnung liefert dafür einen guten Startwert. Alternativ mischt man fertige Stammlösungen von Säure und Salz im berechneten Verhältnis. Beide Wege führen zum Ziel, die Titration ist meist genauer.
Die Gleichung ist eine Näherung. Bei sehr verdünnten Puffern unter etwa 0,001 mol/l oder bei pH-Werten nahe 2 oder 12 verschiebt die Eigenprotolyse des Wassers das Ergebnis. Für den Blutpuffer aus Kohlensäure und Hydrogencarbonat gelten physiologische Sonderbedingungen. Medizinische Werte wie den Blut-pH beurteilt eine Ärztin oder ein Arzt, nicht ein Rechner.
Tipps und typische Fehler
Puffer planen.
- pKs: Nahe Ziel-pH.
- Verhältnis: 1 : 10 bis 10 : 1.
- Temperatur: Beachten.
- pH-Meter: Nachstellen.
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Häufige Fragen
Welchen pH hat ein Puffer mit gleichen Konzentrationen?
Genau den pKs-Wert der Puffersäure, denn der Logarithmus von 1 ist null.
Wie groß ist der Pufferbereich?
Etwa pKs plus minus eine Einheit. Außerhalb davon ist eine der beiden Komponenten zu knapp für eine gute Pufferwirkung.
Ändert Verdünnen den pH eines Puffers?
Kaum, weil das Verhältnis gleich bleibt. Die Pufferkapazität sinkt aber mit der Verdünnung.
Was ist die Pufferkapazität?
Die Menge Säure oder Lauge, die ein Puffer aufnehmen kann, bevor sich der pH deutlich ändert. Sie steigt mit der Konzentration.
Welcher Puffer passt für pH 7?
Häufig ein Phosphatpuffer mit pKs 7,21 oder ein HEPES-Puffer um pH 7,5.
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