Pufferdefinition in Chemie und Biologie

EIN Puffer ist eine Lösung, die entweder eine schwache Säure und ihr Salz oder eine schwache Base und ihr Salz enthält und die gegenüber Änderungen des pH-Werts beständig ist. Mit anderen Worten ist ein Puffer eine wässrige Lösung entweder einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure. Ein Puffer kann auch als pH-Puffer, Wasserstoffionenpuffer oder Pufferlösung bezeichnet werden.

Puffer werden verwendet, um einen stabilen pH-Wert in einer Lösung aufrechtzuerhalten, da sie kleine Mengen zusätzlicher Säure oder Base neutralisieren können. Für eine bestimmte Pufferlösung gibt es einen Arbeits-pH-Bereich und eine festgelegte Menge an Säure oder Base, die neutralisiert werden kann, bevor sich der pH-Wert ändert. Die Menge an Säure oder Base, die einem Puffer zugesetzt werden kann, bevor der pH-Wert geändert wird, wird als Pufferkapazität bezeichnet. 

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung kann verwendet werden, um den ungefähren pH-Wert eines Puffers zu bestimmen. Zur Verwendung der Gleichung wird anstelle der Gleichgewichtskonzentration die Anfangskonzentration oder die stöchiometrische Konzentration eingegeben.

Die allgemeine Form einer chemischen Pufferreaktion ist:

HA ⇌ H⁺ + EIN^-

Beispiele für Puffer

• Blut - enthält ein Bicarbonat-Puffersystem
• TRIS-Puffer
• Phosphatpuffer

Wie angegeben, sind Puffer über spezifische pH-Bereiche nützlich. Zum Beispiel ist hier der pH-Bereich üblicher Puffersubstanzen:

Puffer	pKa	pH-Bereich
Zitronensäure	3,13, 4,76, 6,40	2.1 bis 7.4
Essigsäure	4.8	3,8 bis 5,8
KH2PO4	7.2	6.2 bis 8.2
Borat	9.24	8,25 bis 10,25
CHES	9.3	8,3 bis 10,3

Wenn eine Pufferlösung hergestellt wird, wird der pH-Wert der Lösung so eingestellt, dass er im richtigen effektiven Bereich liegt. Typischerweise wird eine starke Säure wie Salzsäure (HCl) zugesetzt, um den pH-Wert von sauren Puffern zu senken. Eine starke Base wie Natriumhydroxidlösung (NaOH) wird zugesetzt, um den pH-Wert von alkalischen Puffern zu erhöhen.

Wie Puffer funktionieren

Um zu verstehen, wie ein Puffer funktioniert, betrachten Sie das Beispiel einer Pufferlösung, die durch Auflösen von Natriumacetat in Essigsäure hergestellt wird. Essigsäure ist (wie Sie am Namen erkennen können) eine Säure: CH₃COOH, während das Natriumacetat in Lösung dissoziiert, um die konjugierte Base zu ergeben, Acetationen von CH₃GURREN^-. Die Reaktionsgleichung lautet:

CH₃COOH (aq) + OH^-(aq) ⇆ CH₃GURREN^-(aq) + H₂O (aq)

Wenn dieser Lösung eine starke Säure zugesetzt wird, neutralisiert das Acetat-Ion diese:

CH₃GURREN^-(aq) + H⁺(aq) ⇆ CH₃COOH (aq)

Dies verschiebt das Gleichgewicht der anfänglichen Pufferreaktion und hält den pH-Wert stabil. Eine starke Base würde dagegen mit der Essigsäure reagieren.

Universalpuffer

Die meisten Puffer arbeiten über einen relativ engen pH-Bereich. Eine Ausnahme ist Zitronensäure, da sie drei pKa-Werte aufweist. Wenn eine Verbindung mehrere pKa-Werte aufweist, wird ein größerer pH-Bereich für einen Puffer verfügbar. Es ist auch möglich, Puffer zu kombinieren, sofern deren pKa-Werte nahe beieinander liegen (um 2 oder weniger voneinander abweichen), und den pH-Wert mit einer starken Base oder Säure so einzustellen, dass der erforderliche Bereich erreicht wird. Zum Beispiel wird McIvaines Puffer durch Kombinieren von Mischungen von Na hergestellt₂PO₄ und Zitronensäure. In Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen den Verbindungen kann der Puffer von pH 3,0 bis 8,0 wirksam sein. Eine Mischung aus Zitronensäure, Borsäure, Monokaliumphosphat und Diethylbarbitsäure kann den pH-Bereich von 2,6 bis 12 abdecken!