Pufferlösungen

Guten Tag und herzlich willkommen.
Dieses Video heißt Pufferlösungen. Es gehört zur Reihe Säuren und Basen.
Als Vorkenntnisse solltet Ihr solides Wissen über Säuren und Basen mitbringen. Ihr wisst, was eine Dissoziation ist. Die Begriffe Neutralisation und Protolyse sind Euch wohl bekannt. Die Ziele des Videos sind es, Euch grundlegende Kenntnisse über die Funktion von Pufferlösungen und ihre Wirkungsweise zu vermitteln.
Das Video ist in 4 Abschnitte unterteilt:
1. Bedeutung
2. Puffersubstanzen
3. Puffergleichung
4. Pufferkapazität
 
1. Bedeutung
Überall im menschlichen Organismus, wo Lebensfunktionen wirken, im Zytoplasma, im Blut und bei der Wirkung von Enzymen, kommt es auf eine pH-Stabilität an. Diese Stabilität wird durch sogenannte Puffer gewährleistet. Sie besitzen die Fähigkeit, durch Säuren und Basen ausgelöste pH-Stöße abzufangen und somit den pH-Wert kontant zu halten.
2. Puffersubstanzen
Eine Pufferlösung hat die Eigenschaft, trotz Einwirkung einer Säure oder Einwirkung einer Base den pH-Wert ungefähr gleich zu halten. Ein Teil der Puffer sind die sogenannten Säurepuffer. Sie bestehen aus einer schwachen Säure und deren Salz. Ein Beispiel dafür ist das Essigsäure Natriumacetat-Gemisch. Ein weiterer Teil der Puffer sind die Base-Puffer. Diese bestehen aus einer schwachen Base und deren Salz. Ein Beispiel für so einen Puffer ist das Ammoniak Ammoniumchlorid-Gemisch. Sehr populär ist der Puffer, welcher aus Essigsäure und Natriumacetat besteht. Man nennt ihn kurz Acetat-Puffer. Wir werden noch sehen, dass er am effektivsten wirkt, wenn Essigsäure und Natriumacetat im Verhältnis 1:1 vorliegen.
Wie wirkt dieser Puffer? Zum einen ist bekannt - und das ist Voraussetzung - dass Essigsäure eine schwache Säure ist. Das bedeutet, dass sie nur sehr schwach dissoziiert. Das bedeutet aber, dass im Acetatpuffer undissoziierte Essigsäure vorliegt. Natriumacetat hingegen dissoziiert in wässriger Lösung hervorragend. Das bedeutet aber, dass im Acetatpuffer Acetationen vorliegen. Die Mediziner und Biochemiker sprechen auch nur einfach von Acetat. Der Acetatpuffer besteht also aus Essigsäure und Acetat. Gibt man zum Acetatpuffer nun eine Säure, so reagieren die Hydroniumionen der Säure mit den Acetationen zu Essigsäureteilchen. Hier sieht man nun, dass es notwendig ist, dass es sich um eine schwache Säure handelt. Die Anionen einer starken Säure würden so nicht reagieren.
Bei der Einwirkung einer Base auf den Acetatpuffer kommen die undissoziierten Essigsäuremoleküle ins Spiel. Sie reagieren mit den Hydroxidionen zu Acetationen, und Wasser wird frei. Der pH-Wert des Puffers bleibt nahezu unverändert.
3. Die Puffergleichung
Essigsäure ist in wässriger Lösung einer schwachen Dissoziation unterzogen. Ein Essigsäuremolekül reagiert mit einem Wassermolekül zu einem Acetatanion und zu einem Hydroniumion. Nach dem Massenwirkungsgesetz ergibt sich die Säurekonstante als Quotient aus dem Produkt der Konzentrationen der Produkte und dem Produkt der Konzentrationen der Edukte. Die Konzentration des Wassers ist im Vergleich zu den anderen Konzentrationen groß. Daher geht sie mit in die Gleichgewichtskonstante ein. Durch äquivalente Umformung stellt man diese Gleichung nach der Konzentration der Hydroniumionen um. Wir setzen den negativen, dekadischen Logarithmus an, und erhalten den pH-Wert. Entsprechend ergibt sich der pKs-Wert, von dem der Logarithmus des Quotienten der Konzentration der Essigsäure und der Konzentration der Acetationen subtrahiert wird. Schließlich tauschen Zähler und Nenner im Logarithmus ihre Plätze, und wir erhalten: pH = pKs plus Logarithmus von Quotient aus Konzentration der Acetationen und Konzentration der Essigsäure. Diese Gleichung bezeichnet man als Puffergleichung. Ich möchte sie in verallgemeinerter Form aufschreiben: pH = pKs plus Logarithmus aus dem Quotienten der Konzentration der Anionen A- und der Konzentration der Säureteilchen HA. Man bezeichnet die Puffergleichung auch als Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Die Gleichung ist korrekt, wenn es sich bei HA um eine schwache Säure handelt. A-, das Anion, ist entsprechend die zur schwachen Säure konjugierte Base. Wenn die Konzentration der Anionen gleich der Konzentration der undissoziierten Säureteilchen ist, dann ist der pH-Wert gleich dem pKs-Wert.
4. Pufferkapazität
Bei der Wirkung eines Puffers ist es wünschenswert, dass er möglichst viele Hydroniumionen bzw. Hydroxidionen aufnehmen kann, ohne seinen pH-Wert zu verändern. Wirksam ist der Puffer dann, wenn die Konzentration der konjugierten Base gleich der Konzentration der Säure HA ist. In diesem Fall ist die Pufferkapazität maximal. Als zweites ist der Puffer dann besonders wirksam, wenn die Konzentrationen von konjugierter Base und Säure besonders groß sind. Wird diese Bedingung erfüllt, weicht das Argument des Logarithmus nur wenig von 1 ab. Die Pufferkapazität wird maximal.
Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute.
Auf Wiedersehen.