pH-Puffer berechnen — Henderson-Hasselbalch-Gleichung
Pufferlösungen stabilisieren den pH-Wert in einem Bereich von pKₐ ± 1. Der pH ergibt sich nach Henderson-Hasselbalch: pH = pKₐ + log₁₀([A⁻] / [HA]), wobei [A⁻] die Konzentration der konjugierten Base und [HA] die Konzentration der Säure ist. Bei gleichem Anteil von Säure und Base gilt: pH = pKₐ.
Wichtige Puffersysteme und pKₐ-Werte (25 °C): Essigsäure/Acetat pKₐ 4,76 (pH-Bereich 3,8–5,8), Citrat pKₐ 6,40 (zweite Stufe), Phosphat H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ pKₐ 7,20 (pH 6,2–8,2), Tris/HCl pKₐ 8,06 (pH 7,1–9,1). Tris-Puffer ist in der Biochemie für DNA/RNA-Anwendungen weit verbreitet.
Pufferkapazität und Grenzen
Die Pufferkapazität β (mol/L pro pH-Einheit) gibt an, wie viel Säure oder Base ein Puffer aufnehmen kann, ohne den pH erheblich zu verschieben. Maximale Pufferkapazität liegt bei pH = pKₐ (50/50-Verhältnis von Säure und Base). Wenn das Verhältnis [A⁻]/[HA] über 10:1 oder unter 1:10 geht, ist die Pufferwirkung erschöpft. Die Pufferkapazität steigt mit der Gesamtkonzentration: 0,5 M Puffer hat doppelte Kapazität gegenüber 0,25 M.
Temperatureinfluss auf pKₐ: Tris-Puffer verändert seinen pKₐ stark mit der Temperatur (ΔpKₐ/ΔT ≈ −0,031/°C). Ein Tris-Puffer mit pH 7,4 bei 37 °C hat bei 25 °C pH 7,7. Phosphatpuffer ist deutlich temperaturstabiler (ΔpKₐ ≈ −0,002/°C) und deshalb für temperatursensible Reaktionen vorzuziehen.
Herstellung und praktische Tipps
Puffer werden oft aus schwacher Säure + Natriumsalz der konjugierten Base hergestellt (Mischungsmethode) oder durch Titrieren der Säure mit starker Base bis zum Zielpuffer-pH (Titrationsmethod). Für genaue pH-Einstellung: Puffer auf Zieltemperatur bringen, dann mit pH-Meter (kalibriert mit NIST-Pufferlösungen pH 4,0/7,0/10,0) exakt einstellen. Endvolumen erst nach pH-Einstellung mit destilliertem Wasser auf die Zielkonzentration auffüllen.