37Protolysegleichgewichte –Konzentrationsbestimmungen B4 Bei Baseoder Säurezugabe zu einer Pufferlösung (hier: Phosphat-Puffer) bleiben die Säureund Base-Teilchen in der Lösung die gleichen, es ändern sich aber ihre Konzentrationen (rot: Abnahme der Konzentration; grün: Zunahme der Konzentration). B5 Verschiedene Transportprozesse (I bis IV) regulieren in der biologischen Zelle den pHWert. A: Erläutern Sie, welche Prozesse zu einer Acidisierung bzw. einer Alkalisierung der Zelle führen. Eine wässrige Lösung, die gleiche Stoffmengen von Natriumdihydrogen phosphat und Dinatriumhydrogenphosphat enthält, reagiert neutral (V2). Im Gegensatz zu ebenfalls neutralem Wasser ändert dieser Phosphat-Puffer aber seinen pH-Wert auch dann nur ganz geringfügig, wenn man eine starke Säure oder eine starke Base hinzufügt (V2). Auch die beiden anderen Pufferlösungen aus V2 sind „pH-unempfindlich“ gegenüber Salzsäure und Natronlauge, wenngleich ihr pH-Wert von vorneherein im sauren (AcetatPuffer) bzw. alkalischen Bereich (Carbonat-Puffer) liegt. Lösungen, die bei Zugabe von Säuren oder Basen ihren pH-Wert nur geringfügig ändern, werden Säure-Base-Puffer (Pufferlösungen; Puffersysteme) genannt. Der pH-Wert des Phosphat-Puffers aus V1 liegt im neutralen Bereich, weil in ihm die Puffersäure H2PO–4 und die Pufferbase HPO42– in gleichen Anteilen enthalten sind und pKs(H2PO–4) ≈ pKb(HPO42–) ≈ 7 gilt (vgl. Gleichgewichte in Auswertung c). Wird dieser Pufferlösung eine Säure zugesetzt, so werden die in dieser enthaltenen Oxonium-Ionen durch die Hydrogenphos phat-Ionen HPO42– der Pufferbase aus dem Phosphat-Puffer „abgefangen“; die Gleichgewichtsreaktion (vgl. (1) in Auswertung c) wird zur Seite der Edukte verschoben. Es werden also Wasser-Moleküle und Ionen der konjugierten Puffersäure H2PO–4 gebildet. Die Säurezugabe führt damit zu einer Zunahme der Konzentration der Puffersäure H2PO–4 und einer Abnahme der Konzentration der Pufferbase HPO42– (B4). Da die Puffersäure H2PO4– nur geringfügig protolysiert, bewirkt dies insgesamt ein leichtes Absinken des pH-Wertes der Lösung. Entsprechend führen die Konzentrationsänderungen nach der Basezugabe (B4) nur zu einem leichten Anstieg des pHWerts. Ein Puffersystem kann nicht beliebig viele Oxonium-Ionen bzw. Hydroxid-Ionen „abfangen“. Beim allmählichen Verbrauch der betreffenden Pufferkomponenten verschwindet die Fähigkeit des Systems abzupuffern, d.h. die Pufferkapazität ist erschöpft. Mithilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung1 (auch als Puffergleichung bezeichnet) lässt sich der pH-Wert eines Puffersystems berechnen: pH = pKs + lg Danach ist der pH-Wert eines Puffersystems, bei dem c(konjugierte Base)/ c(Säure) = 1 : 1 ist, gleich dem pKs-Wert der Säure. Wird die Konzentration der Säure gegenüber der Konzentration der Base auf das 10-Fache erhöht, so sinkt der pH-Wert um nur eine Einheit und umgekehrt. Säure-Base-Puffer kommen in vielen natürlichen und technischen Systemen vor, in denen die zulässigen pH-Schwankungen begrenzt sind (B2). In einer biologischen Zelle wird der pH-Wert über verschiedene Transportprozesse reguliert (B5) Ohne Puffersysteme würden ökologische Systeme zusammenbrechen, Organismen sterben und viele technische Anlagen nicht funktionieren (B1, B2). Puffersysteme Aufgabe A1 Eines der Puffersysteme im Blut ist das System Kohlensäure/Hydro gen carbonat. Zeigen Sie mithilfe der Puffergleichung, dass bei pH-Wert = 7,36 das Verhältnis c(H2CO3) : c(HCO3–) im Blut = 15 : 100 ist. Fachbegriffe Pufferlösung, Puffersystem, SäureBase-Puffer, Pufferkapazität, Puffergleichung c(konjugierte Base) c(Säure) Pufferlösung nach Basezugabe +OH– H2PO4 – 2HPO4 – H2O +H3O + Pufferlösung nach Säurezugabe Pufferlösung H2PO4 – 2HPO4 – H2O H2PO4 – 2HPO4 – H2O Zellinneres pH = 7,1 H3O + HCO3 – HCO3 – H3O + K+ Na+ Na+ Cl– (IV) (III) (I) (II) 1 Eine Herleitung der Puffergleichung finden Sie unter Chemie 2000+ Online. 3377_01_01_2012_Kap1_018_057 23.09.14 06:25 Seite 37 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei ge nt um d s C .C . B uc hn er V rla gs