Was ist ein Puffer?

In der Säure-Base-Chemie ist ein Puffermittel eine Substanz, die verwendet werden kann, um eine Lösung auf einem konstanten pH-Wert oder einem Säuregrad-Alkalinitätsgrad zu halten. Säuren in wässriger Lösung liefern Hydroniumionen (H ₃ O ⁺ ), während Alkalien Hydroxidionen (OH ^- ) liefern. Der pH-Wert der Lösung ist ein Maß für die relativen Konzentrationen dieser Ionen. Eine Lösung, die ein Puffermittel enthält, kann bis zu einem gewissen Punkt die zusätzlichen Hydronium- oder Hydroxidionen absorbieren, die eingeführt werden, wenn eine Säure oder Base zugesetzt wird, ohne dass sich das H ₃ O ⁺ / OH ^- -Verhältnis ändert, und somit keine Änderung des pH-Werts . Natürlich vorkommende Puffer sind in biologischen Systemen zu finden und Puffersubstanzen finden in Chemie und Industrie viele Verwendung.

Wird eine Säure in Wasser gelöst, ionisiert sie mehr oder weniger stark in H + -Ionen und negativ geladene Anionen. Die H ⁺ -Ionen verbinden sich mit Wasser zu Hydroniumionen (H ₃ O ⁺ ) und das negative Anion ist als konjugierte Base bekannt. Beispielsweise bildet wässrige Salzsäure Hydroniumionen und die konjugierte Base ist das Chloridion: HCl + H ₂ O → H ₃ O ⁺ + Cl ^- . Die konjugierte Base kann mit Hydroniumionen unter Bildung der Säure reagieren, aber in diesem Fall ist das Chloridion eine schwache Base, sodass die Salzsäure in Wasser fast ausschließlich aus Hydroxoniumionen und Chloridionen besteht, was es zu einer starken Säure macht. Bei einer schwachen Säure ist jedoch die Umkehrreaktion signifikant, da die konjugierte Base stärker ist und somit die Konzentration an Hydroniumionen geringer ist.

Eine Mischung, die ein Salz einer schwachen Säure zusammen mit der Säure, von der sie abgeleitet ist, enthält, kann oft als saures Puffermittel verwendet werden; Das Salz sorgt für eine reichliche Versorgung mit der konjugierten Base der Säure. Starke Säuren und deren Salze eignen sich nicht als Puffermittel, da ein saures Puffermittel große Mengen der Säure in nichtionisierter Form benötigt und der pH-Wert in jedem Fall üblicherweise nahezu neutral oder konstant gehalten werden muss nur mäßig sauer oder alkalisch. In ähnlicher Weise beinhaltet ein alkalisches Puffermittel üblicherweise ein Salz eines schwachen Alkalis zusammen mit dem Alkali selbst.

Ein einfaches Beispiel für eine saure Pufferlösung ist eine wässrige Lösung von Essigsäure und Natriumacetat. Essigsäure ist eine schwache Säure, daher wird das meiste davon nicht ionisiert. Bei Zugabe einer Säure reagieren die zusätzlichen Hydroniumionen mit den Acetationen aus dem Natriumacetat unter Bildung von mehr Essigsäure, die größtenteils nicht ionisiert bleibt und daher keinen großen Einfluss auf den pH-Wert hat. Wenn ein Alkali zugesetzt wird, reagieren die zusätzlichen Hydroxidionen (OH ^& supmin ^; ) mit der Essigsäure unter Bildung von Acetationen und Wasser und mit der geringeren Menge an Hydroniumionen unter Bildung von mehr Wasser, wiederum mit geringer Auswirkung auf den pH-Wert.

Lebende Organismen setzen Puffersubstanzen in einer Reihe von Rollen ein. Zum Beispiel muss der pH-Wert von Blut nahe bei 7,4 gehalten werden - leicht alkalisch oder neutral. Da eine Vielzahl von Chemikalien mit unterschiedlichem Säuregehalt und unterschiedlicher Alkalität aus der aufgenommenen Nahrung in den Blutkreislauf gelangen kann, ist ein Puffermittel erforderlich, um sicherzustellen, dass dieser Wert erhalten bleibt. Dies wird durch eine Kombination von Kohlensäure (H ₂ CO ₃ ) und Hydrogencarbonat (HCO ₃ ^- ) erreicht.

Puffersubstanzen sind in der Industrie und in vielen gängigen Produkten weit verbreitet. Sie werden in Waschmitteln, in Lebensmitteln und beim Brauen verwendet, um sicherzustellen, dass der pH-Wert innerhalb des Bereichs bleibt, der von den für die Fermentation verantwortlichen Hefen gefordert wird. Shampoo funktioniert am besten, wenn es leicht sauer ist und im Allgemeinen ein Puffermittel enthält, um einen Säureverlust während des Gebrauchs zu verhindern. Puffer werden auch viel in der Biologie und Biochemie verwendet. Good's-Puffer, die in den 1960er Jahren von NE Good entwickelt wurden, sind eine Gruppe von Puffersubstanzen, die sorgfältig entwickelt wurden, um biologische Reaktionen nicht zu stören.