PUFFERLÖSUNGEN: EIGENSCHAFTEN, HERSTELLUNG, BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die Pufferlösungen oder Puffer sind solche, die pH-Änderungen aufgrund der Ionen H ₃ O ⁺ und OH ^- verringern können . In Abwesenheit dieser Systeme sind einige Systeme (z. B. physiologische) geschädigt, da ihre Komponenten sehr empfindlich auf plötzliche Änderungen des pH-Werts reagieren.

So wie Stoßdämpfer in Kraftfahrzeugen den durch ihre Bewegung verursachten Aufprall verringern, tun Puffer dasselbe, jedoch mit der Säure oder Basizität der Lösung. Darüber hinaus legen Puffer einen bestimmten pH-Bereich fest, innerhalb dessen sie effizient sind.

Andernfalls säuern die H ₃ O ⁺ -Ionen die Lösung an (der pH-Wert fällt auf Werte unter 6 ab), was zu einer möglichen Änderung der Reaktionsleistung führt. Das gleiche Beispiel kann für basische pH-Werte angewendet werden, dh größer als 7.

Eigenschaften

Komposition

Sie bestehen im wesentlichen aus einer Säure (HA) oder einer schwachen Base (B) und Salzen ihrer konjugierten Base oder Säure. Folglich gibt es zwei Arten: Säurepuffer und alkalische Puffer.

Säurepuffer entsprechen dem HA / A ^- Paar , wobei A ^- die konjugierte Base der schwachen Säure HA ist und mit Ionen - wie Na ⁺ - unter Bildung von Natriumsalzen interagiert . Auf diese Weise bleibt das Paar als HA / NaA erhalten, obwohl es auch Kalium- oder Calciumsalze sein kann.

Abgeleitet von der schwachen Säure HA puffert es saure pH-Bereiche (weniger als 7) gemäß der folgenden Gleichung:

HA + OH ^- => A ^- + H ₂ O.

Da es sich jedoch um eine schwache Säure handelt, wird ihre konjugierte Base teilweise hydrolysiert, um einen Teil des verbrauchten HA zu regenerieren:

A ^- + H ₂ O HA + OH ^-

Andererseits bestehen alkalische Puffer aus dem B / HB ⁺ -Paar , wobei HB ⁺ die konjugierte Säure der schwachen Base ist. Im Allgemeinen bildet HB ⁺ mit Chloridionen Salze, wobei das Paar als B / HBCl verbleibt. Diese Puffer puffern basische pH-Bereiche (größer als 7):

B + H ₃ O ⁺ => HB ⁺ + H ₂ O.

Und wieder kann HB ⁺ teilweise hydrolysiert werden, um einen Teil des verbrauchten B zu regenerieren:

HB ⁺ + H ₂ O <=> B + H ₃ O ⁺

Sie neutralisieren sowohl Säuren als auch Basen

Während saure Puffer den sauren pH-Wert und den basischen alkalischen Puffer-pH-Wert puffern, können beide mit H ₃ O ^{+ -} und OH ^- -Ionen durch diese Reihe chemischer Gleichungen reagieren :

A ^- + H ₃ O ⁺ => HA + H ₂ O.

HB ⁺ + OH ^- => B + H ₂ O.

So reagiert HA im Fall des HA / A ^- Paares mit den OH ^- Ionen , während A ^{- -} seine konjugierte Base - mit dem H ₃ O ⁺ reagiert . Was das B / HB ⁺ -Paar betrifft , reagiert B mit den H ₃ O ⁺ -Ionen , während HB ⁺ - seine konjugierte Säure - mit dem OH ^- .

Dadurch können beide Puffer sowohl saure als auch basische Spezies neutralisieren. Das Ergebnis des Vorstehenden im Vergleich zu beispielsweise der konstanten Zugabe von Mol OH ^- ist die Abnahme der Variation des pH (ΔpH):

Das Bild oben zeigt den pH-Puffer gegen eine starke Base (OH ^- Donor ).

Anfangs ist der pH aufgrund der Anwesenheit von HA sauer. Wenn die starke Base hinzugefügt wird, werden die ersten Mol A gebildet ^- und der Puffer beginnt zu wirken.

Es gibt jedoch einen Bereich der Kurve, in dem die Steigung weniger steil ist. das heißt, wo die Dämpfung effizienter ist (bläuliche Box).

Effizienz

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Konzept der Dämpfungseffizienz zu verstehen. Eine davon besteht darin, die zweite Ableitung des Kurven-pH gegen das Volumen der Base zu bestimmen und nach V für den Minimalwert zu lösen, der Veq / 2 ist.

Veq ist das Volumen am Äquivalenzpunkt; Dies ist das Volumen der Base, das benötigt wird, um die gesamte Säure zu neutralisieren.

Ein anderer Weg, es zu verstehen, ist durch die berühmte Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

pH = pK _a + log (/)

Hier bezeichnet B die Base, A die Säure und pK _a den kleinsten Logarithmus der Säurekonstante. Diese Gleichung gilt sowohl für die saure Spezies HA als auch für die konjugierte Säure HB ⁺ .

Wenn es in Bezug auf sehr groß ist, nimmt log () einen sehr negativen Wert an, der vom pK _a subtrahiert wird . Wenn es andererseits in Bezug auf sehr klein ist, nimmt der Wert von log () einen sehr positiven Wert an, der zu pK _a addiert wird . Wenn jedoch =, ist log () 0 und der pH = pK _a .

Was bedeutet das alles? Dass das ΔpH in den für die Gleichung berücksichtigten Extremen größer ist, während es bei einem pH gleich dem pK _a minimal ist ; und da der pK _a für jede Säure charakteristisch ist, bestimmt dieser Wert den Bereich pK _a ± 1.

Die pH-Werte innerhalb dieses Bereichs sind diejenigen, bei denen der Puffer am effizientesten ist.

Vorbereitung

Um eine Pufferlösung herzustellen, sollten die folgenden Schritte beachtet werden:

- Kennen Sie den erforderlichen pH-Wert und daher den, den Sie während der Reaktion oder des Prozesses so konstant wie möglich halten möchten.

- Wenn man den pH-Wert kennt, sucht man unter allen schwachen Säuren diejenigen, deren pK _a näher an diesem Wert liegt.

- Sobald die HA-Spezies ausgewählt und die Konzentration des Puffers berechnet wurde (abhängig davon, wie viel Base oder Säure neutralisiert werden muss), wird die erforderliche Menge seines Natriumsalzes gewogen.

Beispiele

Essigsäure hat einen pK _a von 4,75, CH ₃ COOH; Daher bildet eine Mischung aus bestimmten Mengen dieser Säure und Natriumacetat, CH ₃ COONa, einen Puffer, der im pH-Bereich (3,75-5,75) effizient puffert.

Andere Beispiele für monoprotische Säuren sind Benzoesäure (C ₆ H ₅ COOH) und Ameisensäure (HCOOH). Für jeden dieser Werte von pK _a sind 4,18 und 3,68; Daher sind seine pH-Bereiche mit der höchsten Pufferung (3,18-5,18) und (2,68-4,68).

Darüber hinaus haben die polyprotischen Säuren wie Phosphorsäure (H ₃ PO ₄ ) und Kohlenstoff (H ₂ CO ₃ ) viele pK-Werte _, da Protonen freigesetzt werden können. Somit hat H ₃ PO ₄ drei pK _a (2,12, 7,21 und 12,67) und H ₂ CO ₃ hat zwei (6,352 und 10,329).

Wenn Sie in einer Lösung einen pH-Wert von 3 beibehalten möchten, können Sie zwischen den Puffern HCOONa / HCOOH (pK _a = 3,68) und NaH ₂ PO ₄ / H ₃ PO ₄ (pK _a = 2,12) wählen .

Der erste Puffer, der von Ameisensäure, liegt näher an pH 3 als der Phosphorsäurepuffer; Daher puffern HCOONa / HCOOH bei pH 3 besser als NaH ₂ PO ₄ / H ₃ PO ₄ .

Verweise

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