Scheikunde: Wat zijn voorwaarden voor het werken van een buffer?

Een buffer is een oplossing die een redelijk constante pH behoudt als er een klein beetje sterk zuur of base wordt toegevoegd. Een buffer is dan meestal een mengsel van een zwak zuur en diens geconjugeerde base (azijnzuur bijvoorbeeld: CH3COOH en CH3COO-), of een zwakke base en diens geconjugeerd zuur (carbonaat bijvoorbeeld: CO3 [2-]- en HCO3-). Ik neem als voorbeeld verder azijnzuur aan.

De pH blijft in een buffer redelijk constant omdat er een evenwicht bestaat tussen het azijnzuur (CH3COOH) en diens conjugeerde base (CH3COO-) en het waterstof ion (H+), wat als volgt kan worden weergegeven:

CH3COOH <-> CH3COO- + H+

Als er bijvoorbeeld een scheut natriumhydroxide (NaOH) in de buffer wordt gegooid, komt er opeens een hoop OH- in de oplossing terecht. De protonen (H+) in de buffer gaan vervolgens met het OH- binden om weer H2O te vormen. Tegelijkertijd wordt het evenwicht verstoord, namelijk een groot aantal H+ ionen is verdwenen. Het evenwicht wordt automatisch hersteld omdat een bijna even groot aantal CH3COOH moleculen hun protonen afstaan (CH3COOH -> CH3COO- + H+) om de pH weer omlaag te brengen. Dit houdt totdat er weer een evenwicht ontstaat.

Dit evenwicht wordt bepaald door de evenwichtsconstante Kz, en die is voor azijnzuur 1,8 * 10^-5. De Kz voor azijnzuur is gelijk aan de concentratie protonen, maal de concentratie CH3COO-, gedeeld door de concentratie azijnzuur:

Kz = ( [H+] * [CH3COO-] ) / [CH3COOH] = 1,8 * 10^-5

Omdat de breuk tussen de concentraties altijd 1,8 * 10^-5 moet blijven in een goede buffer oplossing, veranderen de concentraties van de andere moleculen in de breuk automatisch mee als er één verandert. In mij voorbeeld verandert de concentratie H+, die werd kleiner. Om toch weer 1,8 * 10^-5 als uitkomst te hebben moet de noemer (CH3COOH) kleiner worden en/of één van de tellers (CH3COO- in dit geval) groter. Door het evenwicht tussen CH3COOH en CH3COO- wordt in feite beide gedaan: [CH3COOH] -> kleiner, [CH3COO-] -> groter, en zo wordt het evenwicht hersteld en blijft de pH (de -log([H+]) ongeveer gelijk.