Was sind Puffer?

Nein, das sind nicht die Besucher eines Puffs. Es sind auch keine Reserven jeglicher Art, und es sind keine Stoßdämpfer. Es wird dieser Begriff zwar in mehreren Bedeutungen verwendet, doch heute geht es, wie man an dem Kategorientag sehen kann um die Chemie.

Bevor ich erkläre was ein Puffer ist will ich mal auf die Neutralisation eingehen. Wie verhalten sich Säuren wenn man Laugen zugibt (das gleiche gilt natürlich auch umgekehrt)? Nehmen wir zuerst einmal eine starke Säure wie z.B. Salzsäure. Mit einer starken Lauge wie z.B. Natronlauge wird sie neutralisiert, z.B. um durch Änderung des pH-Wertes deren Gehalt zu bestimmen. (Das wird auch heute noch gemacht z.B. um die freien Fettsäuren im Fett zu bestimmen, die ein Maß für den Verderb sind. Es passiert folgendes:

HCl + NaOH -> H2O + NaCl

Es entsteht Wasser und Kochsalz, da dabei Säure verbraucht wird, steigt der pH-Wert an. Das Problem ist das bei 90% Verbrauch der pH-Wert nur um 1 angestiegen ist, bei weiteren 9% (99%) um eine weitere Stufe. Bei Zugabe des restlichen Prozentes steigt er dann um sehr viele pH-Stufen: bei einem Ausgangs pH von 2 (Magensäure) z.B. drei Stufen. Anfänger neigen daher überzutitrieren, weil am Schluss schon ein Tropfen den Umschlag von sauer in alkalisch bedeuten kann und sich vorher lange gar nichts tut.

Nun gibt es bei Organismen, zahlreiche Flüssigkeiten bei denen der pH konstant bleiben muss, Im Blut wird z.B. Kohlendioxyd zur Lunge transportiert. Kohlendioxid reagiert aber sauer, da es aber das Anhydrid der Kohlensäure ist, setzt es diese frei und damit sinkt der pH-Wert ab, Die Niere scheidet umgekehrt H+-Ionen aus und senkt so den pH-Wert des Blutes ab. Würde nun der pH-Wert bei der Zugabe von kleinen Mengen sehr stark schwanken, so würde das die Funktion des Körpers stark beeinträchtigen. Eiweiße verändern z.B. ihre Form sehr schnell bei sich veränderndem pH-Wert, da die intramolekularen Kräft sehr empfindlich auf Veränderung der elektrischen Ladung reagieren. Dann funktionieren z.B. Enzyme nicht mehr. Man braucht also eine Möglichkeit den pH-Wert trotz Zugabe von Säuren aber auch Laugen konstant zu halten. Das genau sind Puffer.

Mit starken Säuren geht das nicht, doch werfen wir einen Blick auf schwache Säuren, wie z.B. die Essigsäure, Auf den ersten Blick reagiert sie identisch:

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

Der Unterschied liegt darin, dass die Säure selbst in einem Gleichgewicht steht:

CH3COOH ↔ CH3COO + H+

Nur das H+ Ion wird eigentlich umgesetzt. Bei der Essigsäure liegt das Gleichgewicht stark links, weniger als 1% setzt H+ frei, 99% bleibt als undissozierte Essigsäure in der Lösung. Deshalb sind 5% Essigsäure (normale Konzentration in Essig) lange nicht so sauer ist wie dieselbe Salzsäurekonzentration. Wenn nun Natronlauge zugegeben wird, so werden die freien H+ Ionen umgesetzt, und gemäß des Gleichgewichts werden weitere H+ Ionen aus der freien Essigsäure freigesetzt solange bis die ganze Essigsäure verbraucht ist. Das bedeutet bei dieser Titration bleibt der pH-Wert konstant bis die ganze Essigsäure verbraucht ist, dann steigt er erst an. Essigsäure ist ein Puffer. Allerdings nur einer gegen Zugabe von Lauge. Wird Säure zugegeben, so sinkt der pH-Wert wie bei reinem Wasser. Für das abpuffern in beide Richtungen (Säure und Laugenzugabe) braucht man noch eine Substanz die Lauge aufnimmt oder H+ abgibt. Das leistet das Salz der Essigsäure z.B. Natriumacetat. Auch es dissoziiert im Wasser:

CH3COONa → CH3COO + Na+

Die Actetanionen fangen wiederum H+ auf:

CH3COO + H+ → CH3COOH

Das bedeutet ein Gemisch aus Essigsäure und Natriumacetat hält den pH-Wert konstant bei Säure und Laugenzugabe. Es ist ein Puffersystem. Salze aus schwachen Säuren und schwachen Laugen z.B. Ammoniumacetat (Das Salz aus Ammoniak als Lauge und Essigsäure als Säure) haben diese Eigenschaft in einem Molekül

Ch3COONH4 + H+ ↔ CH3COOH + NH4+

CH3COONH4 + OH ↔ CH3COO + NH3 + H2O

Aus der starken Säure H+ wird die schwache Säure NH4+ (Ammoniumion) und aus der starken Lauge OH wird die schwache Lauge CH3COO. Beide verändern den pH-Wert anders als die starken Vertreter kaum.

Nun Säuregruppen und Aminogruppen haben auch Eiweiße und in der Tat wirken einige Eiweiße auch als Puffer im Blut hat das Hämoglobin Puffereigenschaften. Das Blut enthält aber auch noch zwei anorganische Puffer: Einen Karbonatpuffer und einen Phosphatpuffer.

Der Kohlensäurepuffer besteht aus der Kohlensäure und Natriumhydrogencarbonat, die wie folgt im Gleichgewicht stehen:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3

NaHCO3 ↔ Na+ + HCO3

In beiden Gleichungen kommt das HCO3 Ion vor. Wird nun H+ zugegeben so verschiebt sich das Gleichgewicht in freie Kohlensäure (H2CO3) und wenn Lauge zugegeben wird, so verschiebt sie sich in Richtung Hydrogencarbonat (HCO3). Der zweite Puffer nutzt zwei Salze, nämlich Natriumdihydrogenphosphat und Dinatriumhydrogenphosphat:

NaH2PO4 + OH ↔ NaHPO4 + H2O

Na2HPO4 + H+ ↔ NaH2PO4 + Na+

Das geht weil die Phosphorsäure in der ersten Stufe zwar eine starke Säure ist, das zweite Proton wird aber nicht so leicht abgegeben. Das ist eine schwache Säure. Beide Systeme zusammen halten den pH-Wert des Blutes konstant zwischen 7,3 und 7,5. Sinkt er unter 7,3 ab, so spricht man von einer Acidose. Dies kann vorkommen bei Diabetes Melitus oder bei Diäten die kaum Kohlenhydrate enthalten, vorkommen, dabei werden Ketokörper gebildet die sauer wirken. Umgekehrt kann man durch schnelles, tiefes Ausatmen den Kohlensäuregehalt so stark absenken, dass vermehrt Natriumhydrogencarbonat dissoziiert und sich der pH-Wert ins Alkalische verschiebt. Das bezeichnet man als Alkalose. Beides ist nicht gesund. Bei bestimmten Krankheiten verschlimmert eine Alkalose oder Acidose noch die Krankheit, so fällt die Harnsäure bei einem niedrigen pH-Wert schneller aus und verschlimmert die Hyperuricämie (Gicht).

 

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