Wofür werden Pufferlösungen verwendet?

Pufferlösungen sind eine der wichtigsten Arten von chemischen Reagenzien, die in der chemischen Forschung, biologischen Forschung und Industrie verwendet werden. Ihre Nützlichkeit beruht hauptsächlich auf ihrer Fähigkeit, pH-Änderungen zu widerstehen. Wenn Sie im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgepasst haben, erinnern Sie sich vielleicht daran, dass der pH-Wert eine Einheit für den Säuregehalt einer Lösung ist. Zum Zwecke dieser Diskussion kann Acidität als die Konzentration von Wasserstoffionen (H+) in Lösung definiert werden. Wie sauer eine Lösung ist, beeinflusst, welche Reaktionen wie schnell ablaufen. Die Fähigkeit, den pH-Wert zu kontrollieren, ist entscheidend für den erfolgreichen Abschluss einer Vielzahl chemischer Reaktionen, und Pufferlösungen haben daher eine Vielzahl von Anwendungen. Aber zuerst ist es wichtig zu verstehen, wie Pufferlösungen funktionieren.

Pufferlösungen sind normalerweise eine Kombination aus einer Säure und ihrer konjugierten Base. Wie wir oben gelernt haben, kann Acidität als die Konzentration von H+-Ionen in Lösung definiert werden. Daher sind Säuren Verbindungen, die H+-Ionen in Lösung abgeben. Wenn Säuren die H+-Konzentration erhöhen, folgt daraus, dass die Gegensätze, Basen, die H+-Konzentration verringern.

Wenn eine Säure ein H+ verliert, entsteht eine konjugierte Base. Dies lässt sich am besten anhand eines Beispiels wie CH3COOH (Essigsäure) veranschaulichen. Wenn CH3COOH als Säure wirkt, dissoziiert es in H+ und CH3COO- (Acetat). CH3COO- ist eine Base, da sie H+ aufnehmen kann, um Essigsäure zu erzeugen. Es ist somit die konjugierte Base von Essigsäure oder die Base, die entsteht, wenn Essigsäure ein H+-Ion freisetzt. Dieses Konzept erscheint zunächst kompliziert, aber seien Sie versichert, dass es in tatsächlichen Reaktionen nicht schwer ist, konjugierte Basen auszuwählen. Es ist im Wesentlichen das, was von der Säure übrig bleibt, nachdem ein H + -Ion freigesetzt wurde.

Chemische Reaktionen sind reversibel. Nehmen wir als Beispiel unsere Reaktion von oben,

CH3COOH > CH3COO- und H+

CH3COO- und H+ (die Produkte) können sich zu CH3COOH (Ausgangsmaterial) verbinden, was wir als "Rückreaktion" bezeichnen würden. So kann eine Reaktion nach rechts oder links, vorwärts oder rückwärts erfolgen. Das Prinzip von Le Chatelier ist eine Regel, die besagt, dass die linke und rechte Seite der Reaktion ein bestimmtes Gleichgewicht oder Verhältnis untereinander bevorzugen. In diesem Fall besagt das Prinzip von Le Chatelier im Wesentlichen, dass, wenn Sie mehr Produkt (H+ oder Acetat) hinzufügen, die die Reaktion verschiebt sich nach links (zu den Edukten) und das Edukt (Essigsäure) bildet sich in Antwort.

In ähnlicher Weise wird sich mehr Ausgangsmaterial bilden, wenn mehr Produkt hinzugefügt wird. Wenn sich CH3COOH bildet, wird H+ aus der Lösung entfernt, da es sich mit CH3COO- verbindet, und somit nimmt der Säuregehalt der Lösung nicht zu. Das gleiche allgemeine Prinzip gilt, wenn eine Base zugegeben wird, mehr H+ freigesetzt wird und der pH-Wert der Lösung unverändert bleibt. Dies ist die Methode, mit der eine Pufferlösung oder eine Kombination aus einer Säure und ihrer konjugierten Base pH-Änderungen widerstehen kann.

Ihr Körper verwendet Puffer, um einen Blut-pH-Wert von 7,35-7,45 aufrechtzuerhalten, und auch bei einer Vielzahl biochemischer Reaktionen, an denen Enzyme beteiligt sind. Enzyme sind sehr komplexe Verbindungen, die oft genaue pH-Werte erfordern, um richtig zu reagieren, eine Rolle, die von organischen Puffern erfüllt wird, die von Ihrem Körper produziert werden. Aus dem gleichen Grund sind Puffer für einen Biologen oder Chemiker unerlässlich, der Experimente im Labor durchführt. Oftmals ist ein bestimmter pH-Wert erforderlich, damit der untersuchte Prozess ablaufen kann, und Pufferlösungen sind die einzige Möglichkeit, diese Bedingungen zu gewährleisten.

Auch in der Industrie sind Pufferlösungen weit verbreitet. Industrielle Prozesse, die Pufferlösungen erfordern, umfassen die Fermentation, die Kontrolle von Färbeprozessen und die Herstellung von Pharmazeutika.