Einführungschemie – 1. kanadische Ausgabe

Wie in Abschnitt 12.4 „Starke und schwache Säuren und Basen und ihre Salze“ angegeben, sind schwache Säuren relativ häufig, selbst in den Lebensmitteln, die wir essen. Gelegentlich stoßen wir jedoch auf eine starke Säure oder Base wie Magensäure, die einen stark sauren pH-Wert von 1, 7 aufweist. Definitionsgemäß können starke Säuren und Basen eine relativ große Menge an H+ − oder OH-Ionen produzieren und haben folglich ausgeprägte chemische Aktivitäten. Darüber hinaus können sehr kleine Mengen starker Säuren und Basen den pH-Wert einer Lösung sehr schnell ändern. Wenn 1 ml Magensäure in den Blutkreislauf gegeben würde und kein Korrekturmechanismus vorhanden wäre, würde der pH—Wert des Blutes von etwa 7,4 auf etwa 4,7 sinken – ein pH-Wert, der dem weiteren Leben nicht förderlich ist. Glücklicherweise hat der Körper einen Mechanismus, um solche dramatischen pH-Veränderungen zu minimieren.

Der Mechanismus beinhaltet einen Puffer, eine Lösung, die dramatischen pH-Änderungen widersteht. Puffer bestehen dazu aus bestimmten Paaren gelöster Stoffe: entweder einer schwachen Säure plus einem Salz, das von dieser schwachen Säure abgeleitet ist, oder einer schwachen Base plus einem Salz dieser schwachen Base. Beispielsweise kann ein Puffer aus gelöstem HC BESTEHEN2H3O2 (eine schwache Säure) und NaC2H3O2 (das Salz, das von dieser schwachen Säure abgeleitet ist). Ein anderes Beispiel eines Puffers ist eine Lösung, die NH3 (eine schwache Base) und NH4Cl (ein Salz, das von dieser schwachen Base abgeleitet ist) enthält.

Verwenden wir einen HC2H3O2/NaC2H3O2-Puffer, um zu demonstrieren, wie Puffer funktionieren. Wenn der Pufferlösung eine starke Base — eine Quelle von OH− (aq) —Ionen − zugesetzt wird, reagieren diese OH-Ionen mit dem HC2H3O2 in einer Säure−Base−Reaktion:

HC2H3O2(aq) + OH− (aq) → H2O(ℓ) + C2H3O2-(aq)

Anstatt den pH-Wert dramatisch zu ändern, indem die Lösung basisch gemacht wird, reagieren die zugesetzten OH-Ionen zu H2O, so dass sich der pH-Wert nicht wesentlich ändert.

Wenn der Pufferlösung eine starke Säure — eine Quelle von H + —Ionen – zugesetzt wird, reagieren die H+ -Ionen mit dem Anion aus dem Salz. Da HC2H3O2 eine schwache Säure ist, wird es nicht viel ionisiert. Dies bedeutet, dass, wenn viele H + −Ionen und C2H3O2- Ionen in derselben Lösung vorhanden sind, sie zusammenkommen, um HC2H3O2 zu bilden:

H+(aq) + C2H3O2−(aq) → HC2H3O2(aq)

Anstatt den pH-Wert dramatisch zu ändern und die Lösung sauer zu machen, reagieren die zugesetzten H + -Ionen zu Molekülen einer schwachen Säure. Abbildung 12.2 „Die Aktionen von Puffern“ veranschaulicht beide Aktionen eines Puffers.

Puffer aus schwachen Basen und Salze schwacher Basen wirken ähnlich. Beispielsweise können in einem Puffer, der NH3 und NH4Cl enthält, NH3−Moleküle mit überschüssigen H+ −Ionen reagieren, die durch starke Säuren eingeführt werden:

NH3(aq) + H+(aq) → NH4+(aq)

während das NH4 +(aq) -Ion mit beliebigen OH-Ionen reagieren kann, die durch starke Basen eingeführt werden:

NH4+(aq) + OH-(aq) → NH3(aq) + H2O(ℓ)

Puffer funktionieren nur für begrenzte Mengen zugesetzter starker Säure oder Base gut. Sobald einer der gelösten Stoffe vollständig umgesetzt ist, ist die Lösung kein Puffer mehr, und es können schnelle Änderungen des pH-Werts auftreten. Wir sagen, dass ein Puffer eine bestimmte Kapazität hat. Puffer, in denen zunächst mehr gelöster Stoff gelöst ist, haben erwartungsgemäß größere Kapazitäten.

Menschliches Blut hat ein Puffersystem, um extreme pH−Änderungen zu minimieren. Ein Puffer im Blut basiert auf der Anwesenheit von HCO3- und H2CO3 . Mit diesem Puffer wäre die Änderung des pH-Werts des Blutes minimal, selbst wenn etwas Magensäure direkt in den Blutkreislauf gelangen würde. In vielen Körperzellen befindet sich ein Puffersystem, das auf Phosphationen basiert.