Zuletzt aktualisiert: 2026-06-30

Was die Pufferkapazität misst

Ein Puffer widersteht pH-Änderungen, wenn kleine Mengen starker Säure oder Base zugegeben werden. Die Pufferkapazität (β) drückt diesen Widerstand als Zahl aus: Sie ist die Menge starker Base oder Säure in Mol pro Liter, die zugegeben werden muss, um den pH um eine Einheit zu verschieben. Ein Puffer mit großem β kann viel zugegebene Säure oder Base aufnehmen, bevor sich sein pH verschiebt; ein Puffer mit kleinem β gibt schnell nach.

Formal ist die Kapazität die Ableitung der zugegebenen Base nach dem pH:

Für ein einzelnes Paar aus schwacher Säure und konjugierter Base ergibt sich daraus die von diesem Rechner verwendete Van-Slyke-Gleichung.

Die Van-Slyke-Gleichung

Dabei ist die Gesamtkonzentration des Puffers C = [HA] + [A⁻], und die beiden Speziekonzentrationen ergeben sich aus pH und pKs über [H⁺] = 10⁻ᵖᴴ und Ka = 10⁻ᵖᴷˢ. Der Faktor 2,303 ist ln 10 und tritt auf, weil der pH ein dekadischer Logarithmus ist.

Rechenbeispiel

Betrachten wir einen Acetatpuffer mit einer Gesamtkonzentration C = 0,10 mol/L, einem pKs von 4,74, ausgewertet bei pH 5,00.

1. pH und pKs in Konzentrationen umrechnen: [H⁺] = 10⁻⁵·⁰⁰ = 1,00×10⁻⁵ mol/L und Ka = 10⁻⁴·⁷⁴ = 1,82×10⁻⁵.
2. Zähler: Ka·[H⁺] = (1,82×10⁻⁵)(1,00×10⁻⁵) = 1,82×10⁻¹⁰.
3. Nenner: (Ka + [H⁺])² = (1,82×10⁻⁵ + 1,00×10⁻⁵)² = (2,82×10⁻⁵)² = 7,97×10⁻¹⁰.
4. Zusammenfassen: β = 2,303 × 0,10 × (1,82×10⁻¹⁰ / 7,97×10⁻¹⁰) = 0,0527.

Etwa 0,053 mol starke Base pro Liter würden den pH dieses Puffers nahe pH 5 also um eine Einheit anheben.

Warum die Kapazität bei pH = pKs ihr Maximum erreicht

Die Kapazität ist am größten, wenn die schwache Säure und ihre konjugierte Base in gleichen Mengen vorliegen, denn dann kann die Lösung zugegebene Säure und Base gleich gut neutralisieren. Das ist genau dann der Fall, wenn pH = pKs. Setzt man [H⁺] = Ka in die Gleichung ein, ergibt sich:

Für die Beispielkonzentration beträgt dieses Maximum 0,576 × 0,10 ≈ 0,0576, etwas über dem Wert bei pH 5. Entfernt sich der pH vom pKs, wird das Säure/Base-Verhältnis unausgewogen und die Kapazität fällt symmetrisch ab.

Der nutzbare Pufferbereich

Ein Puffer gilt in der Regel innerhalb von etwa ±1 pH-Einheit um seinen pKs als nutzbar, wo er noch etwa ein Drittel seiner Spitzenkapazität behält. Außerhalb dieses Fensters ist der Puffer weitgehend erschöpft, weshalb man einen Puffer so wählt, dass sein pKs nahe dem gewünschten Arbeits-pH liegt.

Kapazität erhöhen

Da β direkt mit C skaliert, ist der direkteste Weg zu einem widerstandsfähigeren Puffer, die Gesamtkonzentration des Säure/Base-Paars zu erhöhen — eine Verdopplung von C verdoppelt die Kapazität bei jedem pH. Die Wahl eines Puffermittels, dessen pKs nahe dem gewünschten pH liegt, sorgt dafür, dass man nahe dem Maximum statt auf dem abfallenden Ast arbeitet. Viele praktische Puffer kombinieren mehr als ein Säure/Base-Paar (zum Beispiel Phosphat mit mehreren pKs-Werten), um den Bereich zu verbreitern, in dem die Kapazität hoch bleibt.

Verwandte Berechnungen

Die Henderson-Hasselbalch-Beziehung liefert den pH eines Puffers aus demselben Säure/Base-Verhältnis und ist der natürliche Begleiter einer Kapazitätsabschätzung. Die Umrechnung zwischen Ka und pKs liefert die Dissoziationskonstante, die die Formel benötigt, und ein allgemeines Säure-Base-pH-Werkzeug deckt Lösungen außerhalb des Pufferbereichs ab.