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Puffer

Definition eines Puffers
Ein Puffer ist eine Lösung, die bei Zugabe einer geringen Menge einer Säure oder einer Base erheblichen Änderungen des pH-Werts widerstehen kann. Sie kann kleine Mengen zugesetzter Säuren oder Basen neutralisieren und so den pH-Wert der Lösung relativ stabil halten. Pufferlösungen werden auch als pH-Puffer bezeichnet.

Zusammensetzung eines Puffers
Eine Pufferlösung ist ein Gemisch aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base oder einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure (siehe auch weitere Informationen auf unserer Seite Säuren & Basen).

Beispiele für Pufferlösungen sind:

• Acetatpuffer: Essigsäure/Natriumacetat (CH₃COOH)/CH₃COONa), pH ~ 4,7
• Ammoniakpuffer: Ammoniak/Ammoniumchlorid (NH₃/NH₄Cl), pH ~ 9,3
• Hydrogencarbonat (Bicarbonat)-Puffer: Kohlensäure/Natriumhydrogencarbonat (H₂CO₃/NaHCO₃), pH ~ 6,4
• Hydrogencarbonat-(Bicarbonat-)Puffer: Natriumhydrogencarbonat/Carbonat (NaHCO₃ / Na₂CO₃), pH ~ 10,3
• Phosphatpuffer: Natriumdihydrogenphosphat/Dinatriumhydrogenphosphat (NaH₂PO₄/Na₂HPO₄), pH ~ 7,2

Puffer können auch hergestellt werden, indem man mit einer schwachen Säure beginnt und dann einen Teil dieser schwachen Säure mit einer starken Base neutralisiert (durch Neutralisation erhält man die Mischung aus schwacher Säure und ihrem Salz).

pH-Wert eines Puffers
Ein Puffer kann einer pH-Änderung widerstehen, weil die beiden Komponenten (konjugierte Säure und konjugierte Base) im Gleichgewicht in nennenswerten Mengen vorhanden sind und in der Lage sind, kleine Mengen anderer Säuren und Basen (in Form von H⁺ und OH^-) zu neutralisieren, wenn diese der Lösung zugesetzt werden.

Saure Puffer
Saure Puffer sind Puffer, die eine Lösung auf einem pH-Wert unter 7 halten. Sie bestehen in der Regel aus einer schwachen Säure und einem ihrer Salze, um das Anion zu liefern, das als Base wirkt (ihre konjugierte Base). Die Funktion der Salzkomponente besteht darin, als Ionenquelle zu fungieren (Zufuhr von zusätzlichem A^- durch Zugabe eines löslichen Salzes von HA, das vollständig ionisiert, wie NaA).

Sie funktionieren, weil die Dissoziation einer schwachen Säure eine Gleichgewichtsreaktion ist,

HA ⇌ H⁺ + A^-.

Die konjugierte Base A^- entfernt die zugesetzte Säure: Wenn eine Säure zugesetzt wird, steigt die [H⁺] an und diese H⁺ reagieren mit der konjugierten Base (A^-) zu undissoziiertem HA. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links (gemäß dem Prinzip von Le Chatelier), wodurch die meisten H⁺-Ionen entfernt werden. Da es sich bei HA um eine schwache Säure handelt, wird A^- dazu neigen, sich mit allen verfügbaren H⁺ zu HA zu verbinden, so dass sich die Wasserstoffionenkonzentration (H⁺) (d. h. der pH-Wert) nur geringfügig ändert.

Die schwache Säure entfernt das zugesetzte Alkali: Wenn ein Alkali zugesetzt wird, steigt die [OH^-]. Die geringe Menge an H⁺ reagiert mit dem OH^- und bildet H₂O. Die schwache Säure dissoziiert, wodurch sich das Gleichgewicht nach rechts verschiebt und der größte Teil der H⁺-Ionen zurückgewonnen wird, so dass der pH-Wert in der Regel nahezu gleich bleibt.

Basische Puffer
Basische Puffer sind Puffer, die den pH-Wert bei Werten über 7 regulieren und in der Regel aus einer schwachen Base und einem Salz ihrer konjugierten Säure bestehen. Ähnlich wie bei sauren Puffern entfernt auch bei basischen Puffern die schwache Base das zugesetzte H⁺ und die konjugierte Säure das zugesetzte OH^-.

Neutrale Puffer
Sie halten eine Lösung auf einem pH-Wert von etwa 7 und bestehen aus polyprotischen Säuresalzen. In einigen Fällen sind sowohl die schwache Säure als auch ihre konjugierte Base Salze, die aus der teilweisen Neutralisierung einer Säure mit mehreren Protonen stammen, wie z. B. Phosphorsäure.

Der pH-Wert einer Pufferlösung hängt von der Dissoziationskonstante K_s der Säure (oder K_b der Base) sowie vom Verhältnis der Konzentrationen der Säure (Base) und ihrer konjugierten Base (Säure) ab. Diese Abhängigkeit wird durch die bekannte Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben, die in der Chemie und Biochemie häufig verwendet wird, um die notwendigen Berechnungen bei der Herstellung von Pufferlösungen für die Verwendung im Labor oder bei anderen Anwendungen durchzuführen. Mit Hilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung kann die genaue Menge an Säure und konjugierter Base bestimmt werden, die benötigt wird, um einen Puffer mit einem bestimmten pH-Wert zu erhalten.

Henderson-Hasselbalch-Gleichung (Puffergleichung)
Für eine schwache Säure HA und ihre konjugierte Base A^-:

pH = pK_s + log [HA]/[A^-]

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung wird von der Säure-Ionisationskonstante (Dissoziation) abgeleitet:

K_s = [H⁺][A^-]/[HA]

Wenn man den negativen Logarithmus auf beiden Seiten der Gleichung nimmt, erhält man:

-log K_s = -log [H⁺][A^-]/[HA]

Dies entspricht:

-log K_s = -log [H⁺] - log [A^-]/[HA]

Relativ:

-log K_s = -log [H⁺] + log [HA]/[A^-]

Per Definition:

-log K_s = pK_s

-log [H⁺] = pH

So:

pK_s= pH + log [HA]/[A^-]

Diese Gleichung wird dann so aufgestellt:

pH = pK_s + log [HA]/[A^-]

Puffer werden durch den pH-Bereich charakterisiert, in dem sie einen mehr oder weniger konstanten pH-Wert aufrechterhalten können, sowie durch ihre Pufferkapazität, d. h. die Menge an starker Säure oder Base, die aufgenommen werden kann, bevor sich der pH-Wert deutlich ändert.

Pufferbereich
Jedes konjugierte Säure-Base-Paar hat einen charakteristischen pH-Bereich, in dem es als wirksamer Puffer wirkt. Nützlich ist der Bereich, in dem pH = pK_s ± 1 ist. Dies ist der Punkt in der Titration, der auf halbem Weg zum Äquivalenzpunkt liegt. In diesem Bereich ist es am wirksamsten, großen pH-Änderungen zu widerstehen, wenn entweder eine Säure oder eine Base hinzugefügt wird. Anhand der Henderson-Hasselbalch-Gleichung lässt sich erkennen, dass der pH-Wert der Pufferlösung dem pK_s-Wert der Säure entspricht, wenn die Konzentrationen der konjugierten Säure und der konjugierten Base ungefähr gleich sind (etwa um den Faktor 10 voneinander entfernt), denn log(1) = 0, Mit anderen Worten: Das Verhältnis von Base zu Säure im Puffer muss größer als 0,1, aber kleiner als 10 sein. Sobald dieses Verhältnis außerhalb dieses Intervalls liegt, ist der Pufferbereich überschritten, und es ist nicht mehr zu erwarten, dass das Gemisch externe Säuren/Basen wirksam neutralisiert.

Pufferkapazität
Die Pufferkapazität kann als die Menge einer starken Säure oder starken Base definiert werden, die zu einem Liter einer Lösung hinzugefügt werden muss, um sie um eine pH-Einheit zu verändern.

Die Menge an starker Base (oder Säure), die von einer Pufferlösung aufgenommen werden kann, ohne den pH-Wert wesentlich zu verändern, wird durch die Pufferkapazität ausgedrückt. Obwohl der nutzbare pH-Bereich eines Puffers weitgehend von den chemischen Eigenschaften der schwachen Säure und der schwachen Base abhängt, die zur Herstellung des Puffers verwendet werden (d. h. von K_s oder K_b), hängt seine Pufferkapazität ausschließlich von den Konzentrationen der Spezies in der Pufferlösung ab. Puffer mit hoher Kapazität enthalten hohe Konzentrationen an Pufferkomponenten (Säure/Base), die mit zugesetzten H⁺- oder OH^- Ionen reagieren, um den pH-Wert zu erhalten. Daher bestimmen die Konzentrationen der Säure und der konjugierten Base in einem Puffer, wie viel zusätzliche Säure oder Base der Lösung zugesetzt werden kann, bevor die Pufferkapazität erschöpft ist. Je höher die Konzentrationen von Säure und konjugierter Base sind, desto größer ist die Pufferkapazität.

Die Gleichung für die Pufferkapazität lautet wie folgt:

β = Δn/ΔpH

Δn ist die Anzahl der Mol Säure oder Base, die pro Liter Pufferlösung zugesetzt werden
ΔpH ist die Änderung des pH-Werts

Anwendungen
Pufferlösungen sind bei einer Vielzahl von Anwendungen sehr nützlich, bei denen ein stabiler pH-Wert erforderlich ist. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des pH-Werts in vielen chemischen und biochemischen Prozessen.
Pufferlösungen werden in der Industrie häufig verwendet. Zu den industriellen Prozessen, die Pufferlösungen erfordern, gehören die Fermentation (z. B. in Brauereien oder Bäckereien), die Kontrolle von Färbeprozessen in der Textilindustrie, die Herstellung von Arzneimitteln, die Herstellung von Körperpflegeprodukten und Kosmetika, in der Lebensmittelindustrie die Aufrechterhaltung der physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Stabilität von Lebensmitteln usw. Sie werden auch bei der chemischen Analyse und der Kalibrierung von pH-Metern eingesetzt.

Wichtige Puffer

Einige Reagenzien für die Puffervorbereitung

Puffer zur Kalibrierung von pH-Metern oder pH-Elektroden
Die Messung des pH-Werts ist in praktisch allen Industriezweigen und Labors, in denen chemische oder biochemische Prozesse oder Analysen durchgeführt werden, unerlässlich. Ein pH-Meter ist ein Instrument, das die Wasserstoffionenaktivität in wässrigen Lösungen misst und deren Säuregrad oder Alkalität, ausgedrückt als pH-Wert, anzeigt. Das pH-Meter misst die Differenz des elektrischen Potenzials (Spannung) zwischen einer pH-Elektrode und einer Referenzelektrode und zeigt das Ergebnis umgerechnet in den entsprechenden pH-Wert an. Eine der Elektroden ist empfindlich für Wasserstoffionen (in der Regel eine Glaselektrode) und die andere ist die Referenzelektrode (z. B. eine Silberchloridelektrode). Sie werden oft als eine kompakte Elektrode zusammen mit einem Temperaturfühler kombiniert. Die Elektroden bzw. Sonden werden in die zu analysierende Lösung eingetaucht.

Ein pH-Messgerät muss gegen einen bekannten Standard kalibriert werden, um die Genauigkeit bei jeder Verwendung oder vor jeder Messreihe zu gewährleisten. Je genauer die Ergebnisse sein müssen, desto häufiger muss es kalibriert werden. Standards sind Pufferlösungen mit einem bekannten pH-Wert (z. B. 4,00, 7,00, 10,00). Zur Kalibrierung müssen mindestens zwei Standardpufferlösungen verwendet werden, die den Bereich der zu messenden pH-Werte abdecken. Die Temperatur kann die pH-Messwerte beeinflussen. Um einen genauen Messwert zu erhalten, muss das pH-Messgerät bei der gleichen Temperatur wie die zu analysierenden Proben kalibriert werden.

Unter der Marke PanReac AppliChem bieten wir eine breite Palette von pH-Pufferlösungen für die Kalibrierung von pH-Messgeräten an, die auf NIST SRMs rückführbar sind. Alle diese Lösungen sind sehr stabil und können über lange Zeiträume gelagert werden (bis zu 6 Jahre). In den meisten Fällen ist eine Genauigkeit von ± 0,02 pH-Einheiten bei einer Temperatur von 20 °C gewährleistet. Für jede Pufferlösung finden Sie die pH-Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur auf dem Etikett oder auf dem TDS-Wert.

Gebrauchsfertige Pufferlösungen (farblos)

Gebrauchsfertige Pufferlösungen (gefärbt)
Die farbigen Pufferlösungen sind in verschiedenen Farben eingefärbt, so dass sie bei der Arbeit leicht zu erkennen sind.

Die Kenntnis des pH-Werts von Stoffen oder Lösungen ist in vielen Situationen wichtig oder entscheidend, so auch bei der chemischen Analyse im Labor. pH-Messgeräte werden für Bodenmessungen in der Landwirtschaft, für die Wasserqualität in der kommunalen Wasserversorgung, in Schwimmbädern und bei der Umweltüberwachung, beim Brauen von Wein und Bier, in der verarbeitenden Industrie, in den Biowissenschaften und bei klinischen Anwendungen wie der Blutchemie sowie in vielen chemischen und pharmazeutischen Industrien eingesetzt, von Laborversuchen bis zur Qualitätskontrolle. Sie werden verwendet, um den genauen pH-Wert von Lebensmitteln und chemischen Produkten zu analysieren, um die Sicherheit und Qualität zu gewährleisten, oder sie können zur Bewertung des Säuregrads/Alkalinität von Arzneimitteln in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie eingesetzt werden.

Sektoren

• Analytische Labors, Qualitätskontrolle, chemische und biochemische Labors
• Forschung, Entwicklung und Innovation (FuE)
• Biopharmazeutische und pharmazeutische Entwicklung und Herstellung
• Biowissenschaften
• Kosmetika und Gesundheitswesen
• Lebensmittel und Getränke
• Anorganische Synthese
• Pädagogische oder akademische Einrichtungen
• Papierindustrie
• Textilindustrie
• Seifen- und Waschmittelindustrie
• Metallurgie
• Landwirtschaft
• Instandhaltung von Schwimmbädern

Wichtige Puffer in lebenden Systemen
Die Pufferung ist in lebenden Systemen wichtig, um ein stabiles, relativ konstantes inneres Milieu aufrechtzuerhalten, was auch als Homöostase bezeichnet wird. Kleine Moleküle wie Bikarbonat und Phosphat sowie andere Stoffe wie Hämoglobin und andere Proteine bieten Pufferkapazität.

Bei der Betrachtung eines Puffersystems muss zwischen geschlossenen und offenen Puffersystemen unterschieden werden. In einem geschlossenen Puffersystem (z. B. Essigsäure/Acetat-Puffer) werden die bei einer chemischen Reaktion entstehenden Protonen (H⁺) oder Hydroxid-Ionen (OH^-) von der Puffersubstanz abgefangen. Sie reagieren zu der entsprechenden oder konjugierten Säure oder Base des Puffers und verbleiben so in der Lösung. In einem offenen Puffersystem (z. B. dem Hydrogencarbonat/CO₂-Puffersystem in der Lunge) steht das System im Austausch mit der Umgebung. Es ist in der Lage, den richtigen pH-Wert aufrechtzuerhalten, indem es eine Komponente an die Umgebung abgibt, z. B. durch Ausatmen von CO₂.

Hydrogencarbonat (Bicarbonat)-Puffer
Der Karbonatpuffer (eine Mischung aus Kohlensäure und Hydrogenkarbonaten) reguliert die CO₂-Konzentration zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen und der Biosphäre. Er ist auch der Hauptbestandteil des Blutpuffers. Die Aufrechterhaltung des pH-Wertes im Blut wird über den Bikarbonatpuffer geregelt. Dieses System besteht aus Kohlensäure- und Bicarbonat-Ionen. Wenn der pH-Wert des Blutes in den sauren Bereich abfällt, bildet dieser Puffer Kohlendioxidgas. Die Lunge stößt dieses Gas während des Atmungsprozesses aus dem Körper aus. Unter alkalischen Bedingungen bringt dieser Puffer den pH-Wert wieder in den neutralen Bereich, indem er die Ausscheidung von Bikarbonationen über den Urin bewirkt. Dadurch wird der pH-Wert des Blutes zwischen 7,35 und 7,45 gehalten und stoffwechselbedingte Schwankungen werden ausgeglichen. Wenn der pH-Wert unter 7,35 liegt, spricht man von Azidose, bei einem Wert über 7,45 von Alkalose. Der Tod tritt bei pH-Werten unter 6,8 oder über 8,0 ein.

Phosphatpuffer
Das Phosphatpuffersystem wirkt ähnlich wie der Bikarbonatpuffer, hat aber eine viel stärkere Wirkung. Das innere Milieu aller Zellen enthält diesen Puffer, der aus Phosphorwasserstoffionen und Dihydrogenphosphationen besteht. Wenn überschüssiger Wasserstoff in die Zelle gelangt, reagiert er mit den Phosphorwasserstoff-Ionen, die ihn aufnehmen. Unter alkalischen Bedingungen nehmen die Dihydrogenphosphat-Ionen die überschüssigen Hydroxid-Ionen auf, die in die Zelle gelangen.

Protein-Puffer
Proteine bestehen aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Aminosäuren besitzen eine Aminogruppe und eine Carbonsäuregruppe. Bei physiologischem pH-Wert liegt die Carbonsäure als Carboxylat-Ion (COO^-) mit negativer Ladung und die Aminogruppe als NH₃⁺-Ion vor. Wenn der pH-Wert sauer wird, nimmt die Carboxylgruppe überschüssige Wasserstoffionen auf und kehrt in die Carbonsäureform zurück. Wenn der pH-Wert des Blutes alkalisch wird, wird ein Proton aus dem NH₃⁺-Ion freigesetzt, das die NH₂-Form annimmt.

Hämoglobin-Puffer
Das Atmungspigment im Blut, das Hämoglobin, hat ebenfalls eine puffernde Wirkung in den Geweben. Es kann sich zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder mit Protonen oder mit Sauerstoff verbinden. Die Bindung des einen setzt das andere frei. Im Hämoglobin erfolgt die Bindung von Protonen im Globinteil, während die Sauerstoffbindung am Eisen des Hämteils erfolgt. Bei körperlicher Anstrengung entstehen Protonen im Überschuss. Hämoglobin hilft bei der Pufferung, indem es diese Protonen bindet und gleichzeitig molekularen Sauerstoff freisetzt.

Puffer für die Biowissenschaften
Viele biochemische Prozesse werden schon durch kleine Änderungen des pH-Werts erheblich beeinträchtigt. Daher ist es oft notwendig, den pH-Wert durch Zugabe eines geeigneten Puffers zum Medium zu stabilisieren, ohne das untersuchte System zu beeinträchtigen. Tris-, Glycin-, HEPES- und PBS-Puffer sind einige Beispiele für unsere Life-Science-Puffer. Weitere Informationen finden Sie auch in unserem Abschnitt über Life-Science-Puffer.