Pufferlösung einfach erklärt – Wirkung und Formel

Eine Pufferlösung besteht aus einer schwachen Säure und der zugehörigen korrespondierenden Base in etwa vergleichbarer Konzentration, zum Beispiel Essigsäure und Acetat-Ionen. Wird der Lösung eine kleine Menge Säure oder Base zugegeben, reagiert jeweils einer der beiden Pufferpartner damit, sodass sich der pH-Wert kaum verändert.

Diese Fähigkeit, den pH-Wert stabil zu halten, wird als Pufferkapazität bezeichnet und ist begrenzt: Sie hängt von der Menge der schwachen Säure und ihrer korrespondierenden Base ab. Ist einer der beiden Pufferpartner aufgebraucht, verliert die Lösung ihre puffernde Wirkung und der pH-Wert ändert sich bei weiterer Zugabe stark.

Ein häufiger Fehler ist zu glauben, jede Mischung aus Säure und Base wirke als Puffer. Nur die Kombination aus einer schwachen Säure mit ihrer eigenen korrespondierenden Base, etwa Essigsäure mit Natriumacetat, ergibt eine wirksame Pufferlösung, eine starke Säure wie Salzsäure kann diese Rolle nicht übernehmen, weil sie vollständig dissoziiert.

Wie stark ein Puffer wirkt, hängt von zwei Faktoren ab: der Gesamtkonzentration der Pufferpartner und dem Abstand des pH-Werts vom pKs-Wert der eingesetzten Säure. Je höher die Konzentration von Säure und Base, desto mehr Säure oder Base kann zugegeben werden, bevor der Puffer erschöpft ist.

Am wirksamsten arbeitet ein Puffer, wenn der gewünschte pH-Wert nahe am pKs-Wert der eingesetzten Säure liegt, im Bereich von etwa einer pH-Einheit darüber oder darunter. Deshalb wählt man in der Praxis gezielt Säure-Base-Paare, deren pKs-Wert möglichst nah am benötigten pH-Wert liegt.

Ein häufiger Fehler ist die Annahme, ein Puffer könne den pH-Wert beliebig stark verändernde Mengen an Säure oder Base ausgleichen. Tatsächlich ist die Pufferkapazität begrenzt: Ist einer der beiden Pufferpartner vollständig verbraucht, verhält sich die Lösung wie eine ungepufferte Lösung und der pH-Wert ändert sich stark.

Ein zweiter Fehler ist, den pKs-Wert mit dem pH-Wert der reinen Säure gleichzusetzen. Der pKs-Wert ist eine feste Stoffkonstante der Säure, der tatsächliche pH-Wert einer Pufferlösung hängt dagegen zusätzlich vom Konzentrationsverhältnis der beiden Pufferpartner ab, wie die Henderson-Hasselbalch-Gleichung zeigt.

Ein dritter Fehler ist zu glauben, jede beliebige Kombination aus schwacher Säure und starker Base ergäbe automatisch einen guten Puffer, unabhängig vom pH-Zielwert. Liegt der gewünschte pH-Wert weit vom pKs-Wert der gewählten Säure entfernt, ist die Pufferwirkung deutlich schwächer als bei einem passend gewählten Säure-Base-Paar.

Im menschlichen Blut sorgt vor allem der Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer dafür, dass der pH-Wert trotz ständiger Stoffwechselvorgänge sehr genau bei etwa 7,4 bleibt. Schon Abweichungen von wenigen Zehntel pH-Einheiten können lebensbedrohlich sein, deshalb arbeiten im Körper gleich mehrere Puffersysteme zusammen, darunter auch Phosphat- und Eiweißpuffer.

Im Chemieunterricht wird die Pufferwirkung meist mit einem Acetatpuffer im Reagenzglas gezeigt. Dabei ist wie bei allen Säure-Base-Versuchen eine Schutzbrille zu tragen, außerdem sollten Essigsäure und Natriumacetat vorsichtig und in genau abgemessenen Mengen zusammengegeben werden, damit das gewünschte Konzentrationsverhältnis erreicht wird.