Pufferkapazität

Die Pufferkapazität beschreibt die Fähigkeit eines Puffersystems, Zugaben starker Säure oder Base entgegenzuwirken, sodass der pH-Wert nur wenig verändert wird. Allgemein wird sie mit β bezeichnet und gibt an, wie viel starke Säure oder Base pro Änderung des pH-Werts (in Mol pro Liter pro pH-Einheit) hinzugefügt werden muss. Praktisch ist β die Änderungsmenge der hinzugefügten Säure/Base bezogen auf die Veränderung des pH.

Chemisch betrachtet handelt es sich oft um Puffersysteme aus konjugiertem Paar HA/A− mit Gesamtkonzentration Ct = [HA] + [A−]. Der pH-Wert wird durch Henderson-Hasselbalch beschrieben: pH = pKa + log([A−]/[HA]). Die maximale Pufferkapazität liegt nahe dem pH-Wert, der dem pKa entspricht; dort beträgt β ≈ 0,57 Ct pro pH-Einheit. Allgemein hängt β von Ct und von der Nähe des pH zum pKa ab.

Eine gebräuchliche, kompakte Form der Gleichung lautet β = 2.303 Ct (Ka [H+])/(Ka + [H+])^2, wobei [H+] = 10^(-pH). Aus dieser Formel folgt, dass β bei pH gleich dem pKa maximal ist und bei extremen pH-Werten stark abnimmt.

Typische Beispiele umfassen den Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer im Blut (H2CO3/HCO3−; pKa ca. 6,1) sowie intrazelluläre Puffer wie Phosphat- und Proteinpuffer. In Umwelt- und Analytikkontexten wird Pufferkapazität auch als Widerstandsfähigkeit gegen pH-Änderungen infolge von Schadstoffzugaben verstanden; hier spielen Gesamtkonzentrationen der Puffersysteme sowie Alkalinität eine zentrale Rolle.

Messbar wird β üblicherweise durch Titration bestimmt: Es wird eine bekannte Menge starker Säure/Base zugegeben und die resultierende pH-Änderung beobachtet.