Was ist Karbonatpufferung?

Viele der bekanntesten Teile der Natur funktionieren, indem sie eine Art Gleichgewicht aufrechterhalten. Das Karbonatpuffersystem ist eines der wichtigsten Puffersysteme in der Natur, das hilft, dieses Gleichgewicht zu halten.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Wie jedes Puffersystem widersteht ein Bicarbonatpuffer pH-Änderungen, so dass er hilft, den pH-Wert von Lösungen wie Blut und Meerwasser zu stabilisieren. Die Ozeanversauerung und die Auswirkungen von Bewegung auf den Körper sind Beispiele dafür, wie die Bikarbonatpufferung in der Praxis funktioniert.

Wenn Kohlendioxid (CO₂) löst sich Gas in Wasser, es kann mit diesem Wasser zu Kohlensäure reagieren. Kohlensäure kann dann ein Wasserstoffion abgeben, um Bicarbonat zu werden, das ein weiteres Wasserstoffion abgeben kann, um Carbonat zu werden. Alle diese Reaktionen sind reversibel. Dies bedeutet, dass sie sowohl vorwärts als auch rückwärts arbeiten. Carbonat kann zum Beispiel ein Wasserstoffion aufnehmen, um Bicarbonat zu werden.

Die Reaktionsfolge, die von gelöstem Kohlendioxid zu Karbonat führt, erreicht schnell a dynamisches Gleichgewicht, ein Zustand, in dem die Vorwärts- und Rückwärtsprozesse dieser Reaktion bei gleichen Raten. Die Zugabe von Säure erhöht die Geschwindigkeit der Rückreaktion und der Kohlendioxidbildung, wodurch mehr Kohlendioxid aus der Lösung diffundiert. Andererseits erhöht die Zugabe von Base die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion, wodurch mehr Bicarbonat und Carbonat gebildet werden. Jeder Druck auf dieses System bewirkt eine kompensierende Verschiebung in eine Richtung, die das Gleichgewicht wiederherstellt. Das Puffersystem arbeitet weiter, solange seine Konzentration im Vergleich zu der der Lösung zugesetzten Säure- oder Basenmenge groß ist.

Bei Menschen und anderen Tieren hilft das Karbonatpuffersystem, einen konstanten pH-Wert im Blutkreislauf aufrechtzuerhalten. Der pH-Wert des Blutes hängt vom Verhältnis von Kohlendioxid zu Bikarbonat ab. Die Konzentrationen beider Komponenten sind im Vergleich zu den Säurekonzentrationen, die dem Blut während normaler Aktivitäten oder mäßiger körperlicher Betätigung zugesetzt werden, sehr hoch. Bei körperlicher Anstrengung hilft beispielsweise schnelles Atmen, den Anstieg des Kohlendioxids in Ihrem Blut auszugleichen. Andere Mechanismen, die diese Funktion unterstützen, umfassen das Hämoglobinmolekül in Ihren roten Blutkörperchen, das auch dazu beiträgt, den Blut-pH-Wert zu puffern.

Im Ozean steht gelöstes Kohlendioxid aus der Atmosphäre im Gleichgewicht mit den Meerwasserkonzentrationen von Kohlensäure und Bikarbonat. Erhöhte Kohlendioxidemissionen durch menschliche Aktivitäten haben jedoch den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre erhöht, was zu einem Anstieg des gelösten Kohlendioxids geführt hat. Wenn die Konzentration des gelösten Kohlendioxids zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion des Puffersystems zu, bis das System ein neues Gleichgewicht erreicht. Dies bedeutet, dass eine Erhöhung des gelösten Kohlendioxids eine leichte Abnahme des pH-Wertes verursacht. Die Pufferkapazität des Ozeans – seine Fähigkeit, Säuren oder Basen aufzunehmen – ist sehr groß, aber allmähliche Veränderungen dieser Art können schwerwiegende Auswirkungen auf viele Arten des Meereslebens haben. Tiere, die ihre Schalen beispielsweise aus Kalziumkarbonat herstellen, könnten ihre Fähigkeiten zur Schalenherstellung durch signifikante Veränderungen des Säure-Basen-Gleichgewichts des Meerwassers verringern.