Lernziel
- Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen dem pKa der konjugierten Säure einer Pufferlösung und dem Wirkungsbereich des entsprechenden Puffers.
Key Points
- Wenn H+ zu einem Puffer zugegeben wird, nimmt die konjugierte Base ein Proton (H+) auf und „absorbiert“ damit das H+. In ähnlicher Weise gibt die schwache Säure bei Zugabe von OH- ein Proton (H+) ab.
- Der Pufferbereich liegt etwa 1 pH-Einheit beiderseits des pKa der konjugierten Säure.
- Eine Titrationskurve zeigt visuell die Pufferkapazität, wobei der mittlere Teil der Kurve flach ist, weil die Zugabe von Base oder Säure den pH-Wert der Lösung nicht drastisch beeinflusst.
Begriffe
- ÄquivalenzpunktDer Punkt in einer chemischen Reaktion, an dem chemisch äquivalente Mengen an Säure und Base gemischt wurden.
- konjugierte BaseDie Spezies, die nach der Spende eines Protons entsteht.
- Konjugierte SäureDie Spezies, die entsteht, wenn eine Base ein Proton annimmt.
- Konjugiertes Säure-Base-PaarZwei molekulare Einheiten, die sich durch ein einziges Proton unterscheiden.
Eine Pufferlösung enthält normalerweise eine schwache Säure und ihre konjugierte Base. Wenn H+ zu einem Puffer hinzugefügt wird, nimmt die konjugierte Base der schwachen Säure ein Proton (H+) auf und „absorbiert“ so das H+, bevor der pH-Wert der Lösung signifikant sinkt. In ähnlicher Weise gibt die schwache Säure bei Zugabe von OH- ein Proton (H+) an ihre konjugierte Base ab und widersteht so einem Anstieg des pH-Wertes, bevor sie sich zu einem neuen Gleichgewichtspunkt verschiebt. In biologischen Systemen verhindern Puffer die Schwankung des pH-Wertes durch Prozesse, die Säure- oder Basen-Nebenprodukte produzieren, um einen optimalen pH-Wert aufrechtzuerhalten.
Jedes konjugierte Säure-Base-Paar hat einen charakteristischen pH-Bereich, in dem es als effektiver Puffer wirkt. Der Pufferbereich liegt etwa 1 pH-Einheit auf jeder Seite des pKa der konjugierten Säure. Der Mittelpunkt des Pufferbereichs ist der Punkt, an dem die Hälfte der Säure dissoziiert und an dem die Konzentration des Protonendonators (Säure) gleich der des Protonenakzeptors (Base) ist. Mit anderen Worten: Der pH-Wert der äquimolaren Lösung der Säure (z. B. wenn das Verhältnis der Konzentration von Säure und konjugierter Base 1:1 beträgt) ist gleich dem pKa. Dies stellt den Punkt in der Titration dar, der auf halbem Weg zum Äquivalenzpunkt liegt. Dieser Bereich ist am effektivsten, um großen pH-Änderungen zu widerstehen, wenn entweder Säure oder Base zugegeben wird.
Eine Titrationskurve demonstriert visuell die Pufferkapazität. Der mittlere Teil der Kurve ist flach, da die Zugabe von Base oder Säure den pH-Wert der Lösung nicht drastisch beeinflusst. Dies ist die Pufferzone. Sobald sich die Kurve jedoch aus dem Pufferbereich heraus erstreckt, steigt sie enorm an, wenn eine kleine Menge Säure oder Base zum Puffersystem hinzugefügt wird. Wird dem Puffer zu viel Säure zugeführt oder ist die Konzentration zu stark, bleiben zusätzliche Protonen frei und der pH-Wert fällt stark ab. Dieser Effekt zeigt die Pufferkapazität der Lösung an.
