Pufferstoffe

Pufferstoffe, auch Pufferlösungen, sind Substanzen oder Systeme, die den pH-Wert eines Wassers oder einer wässrigen Lösung gegen Zugaben von Säuren oder Basen stabilisieren. Sie bestehen typischerweise aus einem schwachen Säure–Base-Paar oder aus einer schwachen Base und ihrer konjugierten Säure. In wässriger Lösung verhindern Puffer, dass der pH-Wert bei Zugabe von H+ oder OH− stark sinkt oder steigt.

Die Pufferwirkung kommt durch das Gleichgewicht zweier Reaktionen zustande: eine schwache SäureHA kann H+-Ionen abfangen, eine schwache Base B kann OH−-Ionen binden. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung pH = pKa + log([A−]/[HA]) dient zur Abschätzung. Die Pufferkapazität ist am größten bei pH nahe dem pKa des Puffers und nimmt mit der Gesamtkonzentration zu. Der nutzbare Bereich liegt grob pH = pKa ± 1.

Typische Pufferstoffe sind: Acetatpuffer (AcOH/AcO−; pKa ≈ 4,76), Phosphatpuffer (H2PO4−/HPO4^2−; pKa2 ≈ 7,2) und Tris-Puffer (Tris-HCl; pKa ≈ 8,1 bei 25 °C). In biologischen Systemen spielt auch das Kohlensäure-Bikarbonat-System H2CO3/HCO3− eine wichtige Rolle, das bei ungefähr pH 7,4 arbeitet.

Anwendungen finden sich in Biologie, Biochemie, Molekularbiologie und Analytik, etwa bei Enzymreaktionen, Gelelektrophorese oder Probenstabilisierung. Wichtige Kennzahlen sind pKa, Pufferkapazität und Stabilität gegenüber Temperatur und Ionenstärke. Grenzen ergeben sich durch einen begrenzten pH-Bereich um pKa, veränderte pKa-Werte mit der Temperatur und mögliche Wechselwirkungen mit Ionen, Metallionen oder Biomolekülen.