Chemie – Säuren, Basen und Puffer
Für das Wachstum von Organismen und die Funktion biologischer Katalysatoren ist der pH-Wert ein entscheidender Reaktionsparameter. Er gibt an, welche Konzentration an Protonen in einer Lösung vorliegt. Dabei hat ein neutraler pH-Wert von 7 lediglich 100 Nanomol Protonen pro Liter (nM). Organismen müssen einen Bereich von 95 bis 125 nM einhalten können, um zu funktionieren. Kleine pH-Wertänderungen müssen daher schnell beseitigt werden.
Der dänische Physikochemiker Johannes Nicolaus Brønsted beschrieb im Jahr 1923 Stoffe, die Protonen abgeben, als Säuren und Stoffe, die Protonen aufnehmen, als Basen. Ein Stoff, der in einer Lösung Protonen aufnimmt oder abgibt, beeinflusst den pH-Wert der Lösung. Er kann zur Stabilität des pH-Werts beitragen, wenn sein Aufnahme- bzw. Abgabeverhalten einer pH-Wertänderung entgegenwirkt. Man spricht dann von einer Pufferung des pH-Werts.
Die Pufferung ist somit eine reversible chemische Reaktion in wässriger Lösung, an der mehrere Stoffe – darunter auch Protonen – beteiligt sind. Man spricht daher auch von einer gepufferten Lösung oder einem Puffersystem. Chemische Puffer oder Puffersysteme stabilisieren nicht nur den pH-Wert im menschlichen Körper (z.B. Carbonat-Puffer), sondern erfüllen auch in vielen industriellen Bereichen wichtige Aufgaben (z.B. TRIS-Puffer).
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Aufgabe 1 von 1
PUFFERSYSTEME
Puffersysteme bestehen aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure. Das Gleichgewicht eines Puffersystems lässt sich mithilfe des Massenwirkungsgesetzes beschreiben.
Chemischer Hintergrund eines Puffersystems
Das Essigsäure-Acetat-Puffersystem wird häufig als einfaches Beispiel einer einprotonigen Säure verwendet, um die chemischen Hintergründe solcher Systeme zu erläutern.
- Essigsäure: \(\mathrm{CH_3COOH}\)
- Acetat: \( \mathrm{CH_3COO^-}\)
- Wasser: \(\mathrm{H_2O}\)
- Hydroniumion: \(\mathrm{H_3O^+}\)
Das chemische Gleichgewicht zwischen Essigsäure und Acetat legt fest, welche Konzentration an Hydroniumionen eine Lösung hat.
\(\mathrm{K_S}\) ist dabei die Gleichgewichtskonstante der Reaktion und gibt an, ob im Gleichgewicht die Essigsäure auf der linken Seite oder die konjugierte Base Acetat auf der rechten Seite überwiegt. Das Wasser wird in der Gleichung vernachlässigt.
pH-Wert im chemischen Gleichgewicht
Der pH-Wert der Lösung kann aus der Konzentration der Hydroniumionen berechnet werden.
Dazu wird die obere Gleichung logarithmiert und das Vorzeichen angepasst. Man erhält die aus dem Chemieunterricht bekannte Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Belastbarkeit eines Puffersystems
Grafik: HBC (2019)
Um zu wissen, wie stark eine gepufferte Lösung bei der Zugabe von Säure oder Base belastet werden kann bis ihre puffernde Wirkung erschöpft ist, führte Donald van Slyke in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts den Begriff der Pufferkapazität \(\mathrm{\beta}\) ein.
Berechnet man den Wert von \(\mathrm{\beta}\) bei den pH-Werten zwischen 0 und 14, ergibt sich das abgebildetet Diagramm (Abb. 1) für die Essigsäurekonzentration 1 Mol pro Liter und 0,1 Mol pro Liter.
Ein Essigsäure/Acetat-Puffer stabilisiert den pH-Wert demnach am besten bei einem pH-Wert von 4,8, weil der \(\mathrm{pK_S}\) von Essigsäure bei 4,8 liegt. Je weiter sich der pH-Wert der Lösung vom \(\mathrm{pK_S}\)-Wert entfernt, desto geringer ist die Pufferwirkung. Das Puffersystem kann bei pH-Werten unter 2,8 keine Protonen mehr aufnehmen, da es vollständig als protonierte Essigsäure vorliegt. Über 5,8 liegt das System überwiegend als deprotoniertes Acetat vor und gibt daher bei der Zugabe von Base keine Protonen mehr ab. Ist die Konzentration der puffernden Komponenten (Essigsäure und Acetat) höher, dann ist auch die Pufferkapazität der Lösung höher.
Beurteilen Sie folgende Aussagen:
Das Puffersystem im menschlichen Blut ist ein Carbonatpuffersystem.
Die Protonenkonzentration im menschlichen Blut beträgt ca. 10 mM.
Der pH-Wert gibt an, wie viele Protonen in hydratisierter Form vorliegen.
Enzyme arbeiten nur bei einem bestimmten pH-Wert.
Die Kapazität eines Puffers ist pH-abhängig.
Mehrprotonige Säuren puffern auch bei unterschiedlichen pH-Werten.
Mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung wird die Belastbarkeit eines Puffers berechnet.