Verständnis von Puffersystemen: Chemie und Anwendungen

Im Jahr 1908 schrieb Lawrence Joseph Henderson eine mathematische Gleichung, die die Funktion von Kohlensäure als Puffersystem während der Analyse von metabolischer Azidose darlegte. Karl Albert Hasselbalch konvertierte die Formel 1916 in logarithmische Begriffe und erzeugte damit die Henderson-Hasselbalch-Gleichung, die noch heute verwendet wird.

Puffersysteme

Puffersysteme bestehen entweder aus einer schwachen Säure und ihrem Salz oder aus einer schwachen Base und dem Salz dieser bestimmten Säure oder Base. Puffersysteme widerstehen Änderungen des pH-Werts, wenn geringe Mengen einer Säure oder einer Base hinzugefügt werden. Sie werden als Mittel zur Aufrechterhaltung des pH-Werts bei einem unveränderlichen Wert in einer Vielzahl chemischer Anwendungen verwendet.

Funktionen

Ein Puffersystem muss Elemente haben, die jedes hinzugefügte Wasserstoffion oder Hydroxidion abfangen können. Ohne diese Inhaltsstoffe wird sich der pH-Wert ändern. Säure- und Basispuffersysteme erreichen dies auf unterschiedliche Weise.

Säure- und Basispuffersysteme

Säurepuffersysteme haben einen pH-Wert unter 7. Sie werden üblicherweise mit einer schwachen Säure und einem Natriumsalz hergestellt. Phosphatpuffersysteme sind besonders nützlich in biologischen Anwendungen. Da sie mehrere Dissoziationskonstanten haben, können Phosphatpuffer bei allen drei pH-Werten hergestellt werden, nämlich 2,15, 6,86 und 12,32. Das Ändern des Verhältnisses von Säure zu Salz oder die Anwendung einer anderen Säure und eines ihrer Salze ist es, was den pH-Wert des Puffersystems verändert. Basispuffersysteme haben einen pH-Wert über 7. Diese werden typischerweise mit einer schwachen Base und einem ihrer Salze hergestellt. Wiederum wird das Ändern der Konzentrationen den pH-Wert nicht verändern, solange sie gleich bleiben.

Le-Chatelier-Prinzip

Das Le-Chatelier-Prinzip erklärt, dass Änderungen, die an einer Lösung im Gleichgewicht vorgenommen werden, mit Änderungen in Konzentration, Druck oder Temperatur auftreten. Diese Gleichung hilft zu bestimmen, welche Wirkung das Erhöhen oder Verringern einer Komponente einer Lösung auf die Lösung hat, wenn sie sich an ein neues Gleichgewicht anpasst und die vorgenommene Änderung entgegenwirkt. Das Le-Chatelier-Prinzip wird herangezogen, wenn Puffersysteme erstellt werden, um das Ergebnis und den Erfolg der Lösung vorherzusehen.

Blut

Viele Organismen gedeihen nur in einem vergleichsweise bescheidenen pH-Bereich unter Verwendung von Blut als ihrem natürlichen Puffersystem. Im Blut gelöste Puffer halten den pH-Wert des Blutes relativ konstant, mit Unterstützung anderer Organe. Zum Beispiel helfen die Nieren, überschüssige Chemikalien aus dem Blut zu entfernen, um übermäßige Ansammlungen und Nierenversagen zu verhindern. Die Lungen helfen, pH-senkende Aktivitäten wie Bewegung entgegenzuwirken, indem sie Kohlendioxid entziehen, eine Komponente des HauptpH-Puffers im Blut.