Säure/Base/Puffer

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Der Phosphatpuffer soll im pH-Bereich ca. 7 puffern!
Dafür sind zwei Phophate zu verwenden: ein Gemisch aus H2PO4- und HPO42-.
Verwendet werden Na- oder K-Salze.
Es kommen folgende Teilchensorten vor: H2PO4- und HPO42-, das Kation Na+ (oder K+)
und wenig H+ und OH- . Für die Pufferwirkung spielt das Kation keine Rolle.

Die Aufstellung der richtigen chemischen Gleichungen macht (erfahrungsgemäß) etwas mehr Schwierigkeiten. Was ist hier "die schwache Säure und deren Salz dazu"?

Phosphorsäure als dreiwertige Säure bildet 3 verschiedene Anionen. In einer Lösung mit einem pH-Wert ca. 7 liegen zwei der vier Möglichkeiten (Säure oder eines der Anionen) in hoher Konzentration vor, die zwei anderen mit sehr(!) geringer Konzentration.

H3PO4

H2PO4-

HPO42-

PO43-

unbedeutend
für den
Phosphatpuffer

schwache Säure

Salz dazu

unbedeutend
für den
Phosphatpuffer

oder

Salz dazu

schwache Base

Damit sind die beiden erlaubten Gleichungen für die Säure-Base-Wirkung:

Nicht erlaubt, um die Pufferwirkung im Bereich pH ca. 7 zu erklären, sind die beiden anderen Gleichungen für die amphoteren Phosphationen:

Nach dieser Klärung lässt wieder einfach die Pufferwirkung mit chemischen Gleichungen beschreiben.

Wir geben etwas Säure zu dieser Lösung. Beispiel Salzsäure. In die Lösung gelangen also zusätzlich H+-Ionen und Cl--Ionen. Die H+-Ionen bilden mit den vorhandenen Hydrogenphosphationen, die als Base wirken, Dihydrogenphosphatanionen. Damit sind die H+-Ionen abgefangen worden.
H+ + HPO42- H2PO4- bzw.  HCl + Na2HPO4  NaH2PO4 + NaCl.
Weil die H+-Ionen abgefangen werden, ändert sich der pH-Wert nicht (bei genauer Rechnung: nur wenig).

Wir geben etwas Base zur Lösung. Beispiel Natronlauge. In die Lösung gelangen jetzt zusätzlich OH--Ionen und Na+-Ionen. Die OH--Ionen können mit vorhandenen Dihydrogenphosphatanionen, die als Säure wirken, zu Hydrogenphosphatanionen und Wasser reagieren. Damit sind die OH--Ionen abgefangen.
OH- + H2PO4- HPO42- + H2O bzw. NaOH + NaH2PO4  Na2HPO4 + H2O.

In beiden Fällen werden die dazukommenden H+- bzw. OH--Ionen abgefangen. Durch die Reaktionen ändert sich nur die relative Menge der beiden Ionen. Jedes der beiden Phosphationen ist nur ein schwacher Elektrolyt.

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