Puffer sind wässrige Systeme, die Änderungen des pH-Werts widerstehen, wenn kleine Mengen Säure oder Base hinzugefügt werden, und die aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base bestehen. Ein Puffer hält den pH-Wert einer Lösung konstant, indem er Protonen absorbiert, die während der Reaktionen freigesetzt werden, oder indem er Protonen freisetzt, wenn sie durch Reaktionen verbraucht werden. Die Entdeckung, dass teilweise neutralisierte Lösungen schwacher Säuren oder Basen resistent gegen Änderungen des pH-Werts sind, wenn geringe Mengen starker Säuren oder Basen zugesetzt werden, führte zum Konzept des "Puffers".

Eine konjugierte Base ist eine Säure, die ein Proton verloren hat.
HA H⁺ + A  ↔  ^-
Saures  ↔  Proton + konjugierte Base

Eine konjugierte Säure ist eine Base, die ein Proton gewonnen hat.
A + H⁺  ↔  H⁺A
Base + Proton  ↔  konjugierte Säure

Es wird ein Gleichgewicht zwischen der dissoziierten und der undissoziierten Form hergestellt.
Zum Beispiel dissoziiert schwache Essigsäure teilweise in Wasser und erzeugt ein Acetat-Ion:
CH₃COOH  ↔  H⁺ + CH₃COO^-
Die undissoziierte Essigsäure, die Wasserstoffionen und das dissoziierte Ion liegen in Lösung im Gleichgewicht vor.

Natriumacetat dissoziiert auch in Wasser, um das gleiche Acetat-Ion zu erzeugen:
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
Das undissoziierte Natriumacetat und die Ionen von Natrium und Acetat liegen in Lösung im Gleichgewicht vor.

Eine wässrige Lösung aus einem Gemisch aus Essigsäure und Natriumacetat kann daher H⁺ -Ionen aus der Zugabe einer Säure absorbieren, indem die Wasserstoffionen mit der Acetatbase zu Essigsäure kombiniert werden. Darüber hinaus verbinden sich OH^- -Ionen, wenn sie durch Zugabe eines Alkalis in die Lösung eingebracht werden, mit sauren Molekülen (H⁺) zu Wasser. Auf diese Weise widersteht die Lösung, während das System versucht, das Gleichgewicht wiederherzustellen, Veränderungen des pH-Wertes. So funktioniert eine Pufferlösung.

Was passiert nach der Zugabe von Säure zum Puffer?

Wenn eine starke Säure (mehr H+) zu einem Gleichgewichtsgemisch aus der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base hinzugefügt wird, verschiebt sich das Gleichgewicht nach dem Prinzip von Le Chatelier nach links.

Was passiert, nachdem ich dem Puffer eine Base hinzugefügt habe?

Wenn der Mischung eine starke Base zugesetzt wird, nimmt die Wasserstoffionenkonzentration um weniger ab als die Menge, die für die zugegebene Basemenge erwartet wird. Dies liegt daran, dass sich die Reaktion nach rechts verschiebt, um den Verlust von H⁺ in der Reaktion mit der Base auszugleichen.

Pufferlösungen, die aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base bestehen, werden als saure Puffer bezeichnet und haben einen pH-Wert < 7. Ein Puffer aus Essigsäure (schwache Säure) und Natriumacetat (konjugierte Base) ist ein saurer Puffer und hat einen pH-Wert von etwa 4,75.
Pufferlösungen, die aus einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure bestehen, werden als alkalische Puffer bezeichnet und haben einen pH-Wert > 7. Ein Beispiel für einen alkalischen Puffer ist eine wässrige Lösung aus Ammoniumhydroxid (schwache Base) und Ammoniumchlorid (konjugierte Säure) mit einem pH-Wert von 9,25.

Pufferlösungen funktionieren am besten, wenn ihr pH-Wert dem des zu untersuchenden Systems oder der zu untersuchenden Lösung ähnelt. Bei der Erforschung von Enzymen in der Humanbiologie ist ein System erforderlich, das dem pH-Wert des Blutes entspricht, d.h. 7,35 bis 7,45, sonst funktionieren die Enzyme nicht richtig. Wenn das Puffersystem einen pH-Wert außerhalb des gewünschten Bereichs hat, wirkt sich dies ebenfalls negativ auf die Analysen aus.

Es ist daher notwendig, Pufferlösungen mit einem bestimmten pH-Wert herstellen zu können, und dies kann auf verschiedene Weise erfolgen:

• pH-Einstellung
  Die kristalline Säure oder Base wird zunächst in einem Volumen Wasser gelöst, das etwa 60-70 % des erforderlichen Endvolumens der Pufferlösung entspricht. Der pH-Wert wird getestet und dann eingestellt. Wenn eine kristalline Säure verwendet wird, wird der pH-Wert mit einer Base eingestellt, die keine Ionen erzeugt, die das zu untersuchende System stören könnten. Wird eine kristalline Base verwendet, wird der pH-Wert mit einer geeigneten Säure eingestellt. Sobald der gewünschte pH-Wert erreicht ist, kann das Volumen der Pufferlösung mit Wasser aufgefüllt werden, um das gewünschte Volumen zu erhalten.
  
  
• Mischen von sauren und basischen Lösungen
  Bei diesem Verfahren wird eine Lösung der Säure oder Base mit einer Lösung des zugehörigen Salzes vermischt. Die Konzentrationen der Ausgangslösungen müssen mit denen der erforderlichen Pufferlösung übereinstimmen. Die Lösungen können in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt werden, um unterschiedliche pH-Werte in der finalen Pufferlösung zu erreichen. Alternativ kann der pH-Wert überwacht werden, während eine Lösung zur anderen hinzugefügt wird.
  
  
• Verwendung der Henderson-Hasselbach-Gleichung
  Die Henderson-Hasselbach-Gleichung kann verwendet werden, um den pH-Wert einer Pufferlösung unter Verwendung der Dissoziationskonstante pK_a zu schätzen. Wenn eine schwache Säure (HA) in Lösung ist und die Dissoziation in Wasserstoffionen (H⁺) und ihre konjugierte Base (A^-) im Gleichgewicht ist, ist die Dissoziationskonstante ein Maß für die Stärke der Säure an diesem Gleichgewichtspunkt. Die Henderson-Hasselbach-Gleichung lautet wie folgt: 



Dabei gilt: pKa ist die Dissoziationskonstante der schwachen Säure
[A-] ist die Konzentration der konjugierten Base im Gleichgewicht
[HA] ist die Konzentration der Säure im Gleichgewicht

In dem Fall, in dem die Gleichgewichtskonzentration der konjugierten Base und der Säure gleich ist, wird der pH-Wert gleich der Dissoziationskonstante. An dieser Stelle bietet die Pufferlösung die maximale Pufferfähigkeit.
Die Henderson-Hasselbach-Gleichung wird auch zur Bestimmung der Dissoziationskonstante schwacher Säuren durch direkte Messung des pH-Werts verwendet

Universelle Pufferlösungen bestehen aus einer Kombination mehrerer Säure-Base-Paare. Dies ermöglicht es universellen Puffern, den pH-Wert einer Lösung über einen breiteren Bereich zu halten und können daher in viel mehr Anwendungen eingesetzt werden.

• Erstellen einer SOP für die Puffervorbereitung
  Es ist eine gute Idee, den Prozess der Puffervorbereitung zu dokumentieren und sicherzustellen, dass alle das gleiche Verfahren befolgen, um Konsistenz und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Die SOP sollte Einzelheiten zu den verwendeten Materialien und den genauen Schritten enthalten, wann und wie die Komponenten hinzugefügt und der pH-Wert gemessen werden müssen. Die SOP kann auch viele der unten genannten Punkte enthalten.
  
  
• Tragen Sie Schutzkleidung
  Insbesondere bei Arbeiten mit starken Säuren oder Basen muss eine geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA), zum Beispiel Schutzbrille und -kleidung, getragen werden.
  
  
• Prüfung auf mikrobielle Kontamination (insbesondere bei biologischen Anwendungen)
  Überprüfen Sie vor der Verwendung eines Puffers den Behälter auf mikrobielle Kontamination. Pufferlösungen mit einem pH-Wert nahe dem neutralen Wert sind besonders anfällig für Verunreinigungen. Möglicherweise sehen Sie eine gewisse Trübungen in der Lösung oder Verunreinigungen, die sich auf dem Boden abgesetzt haben.
  
  
• Verwenden Sie Ihr pH-Messgerät richtig
  Ihr pH-Messgerät sollte regelmäßig kalibriert und gewartet werden, um genaue pH-Messungen zu gewährleisten. Die Elektrode sollte vor der Verwendung ordnungsgemäß vorbereitet werden, und es sollte eine ausreichende Pufferlösung verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Elektrodenübergang korrekt eingetaucht ist. Warten Sie vor der Messung auf einen stabilen pH-Wert und spülen Sie die Elektrode anschließend mit destilliertem Wasser aus. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr pH-Messgerät bei Umgebungstemperatur verwenden oder verwenden Sie eine Elektrode mit integriertem Temperaturfühler.
  
  
• Achten Sie auf die Temperatur
  Das Ausmaß der Dissoziation kann mit der Temperatur variieren. Ihre Pufferlösung sollte daher bei der gleichen Temperatur hergestellt werden, bei der Sie Ihre Analysen durchführen werden. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Temperatur, bei der Sie die Elektrode kalibrieren, mit der Temperatur übereinstimmt, bei der Sie messen.
  
  
• Seien Sie sich der Konzentration bewusst
  Es ist gängige Praxis, Stammpufferlösungen auf die erforderliche Konzentration für die Verwendung in Analysen zu verdünnen. Eine Änderung der Konzentration kann jedoch das Ausmaß der Dissoziation beeinflussen. Da der pH-Wert ein Maß für Wasserstoffionen (H⁺) ist, kann eine Änderung der Dissoziation zu einer Änderung des pH-Werts führen. Nach der Verdünnung sollte der pH-Wert vor der Verwendung des Puffers erneut überprüft werden.