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Puffersysteme
Chemie · Klasse 12 · 6 Blätter · 75 Aufgaben
LehrplanHessen: Q3.2 Protolysegleichgewichte · LKHessen: Q3.4 Puffersysteme – Säure-Base-Puffer (fakultativ)
Ein Puffer hält den pH-Wert fast konstant, wenn Säure oder Lauge dazukommt. Mit einer einzigen Gleichung berechnet man seinen pH-Wert vorher und nachher.
Worum es geht
Ein Puffer enthält eine schwache Säure HA und ihre korrespondierende Base A⁻ in vergleichbaren Mengen, etwa Essigsäure und Acetat. Kommen H₃O⁺-Ionen hinzu, fängt die Base sie ab: A⁻ + H₃O⁺ → HA + H₂O. Kommen OH⁻-Ionen hinzu, reagiert die Säure: HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O. Der pH-Wert hängt nur vom Verhältnis von Base zu Säure ab, und dieses Verhältnis ändert sich bei kleinen Zusätzen kaum.
Die Regeln
| Regel | Formel | Beispiel Essigsäure/Acetat (pK<sub>S</sub> = 4,75) |
|---|---|---|
| Henderson-Hasselbalch | pH = pKS + lg(c(A⁻) / c(HA)) | Base im Zähler, Säure im Nenner |
| gleiche Mengen | c(A⁻) = c(HA) → pH = pKS | pH = 4,75 |
| Verhältnis 10 : 1 | pH = pKS + 1 | pH = 5,75 |
| Säure zugeben | n(HA) + x, n(A⁻) − x | die Base fängt die Protonen ab |
| Lauge zugeben | n(HA) − x, n(A⁻) + x | die Säure gibt Protonen an OH⁻ ab |
Beispiel, Schritt für Schritt
Aufgabe: Ein Essigsäure/Acetat-Puffer enthält 50 mmol CH₃COOH und 50 mmol CH₃COO⁻. Es werden 10 mmol HCl zugegeben. Neuer pH-Wert? (pKS = 4,75; 2 NKS)
| Schritt | Rechnung | Warum |
|---|---|---|
| 1 · pH vorher | pH = 4,75 + lg(50/50) = 4,75 | gleiche Mengen, lg 1 = 0 |
| 2 · Reaktion | CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O | die zugesetzten Protonen werden vollständig von der Base aufgenommen |
| 3 · Neue Mengen | n(CH₃COOH) = 60 mmol · n(CH₃COO⁻) = 40 mmol | aus jedem abgefangenen Proton wird ein Säuremolekül |
| 4 · pH nachher | pH = 4,75 + lg(40/60) = 4,75 − 0,18 = 4,57 | im gleichen Volumen darf man Stoffmengen statt Konzentrationen einsetzen |
Der typische Fehler
Säure und Base im Bruch vertauschen. Mit lg(60/40) erhält man 4,93 — der pH-Wert wäre nach Zugabe von Salzsäure gestiegen. Die Base gehört in den Zähler: Mehr Base bedeutet einen höheren pH-Wert. Wer sich unsicher ist, prüft an diesem Fall, ob die Richtung stimmt.
So prüfst du dein Ergebnis
Richtung und Betrag. Säure zugeben muss den pH senken, Lauge ihn heben — aber nur wenig, solange noch viel Säure und Base da sind. Ein funktionierender Puffer liegt etwa zwischen pKS − 1 und pKS + 1. Liegt dein Ergebnis weit außerhalb, ist der Puffer erschöpft oder der Bruch vertauscht.