Ein Puffer hält seinen pH über ein Verhältnis — Verdünnen ändert nichts

Warum die Lunge den Blut-pH in Sekunden verschiebt

Die saure Hälfte gerade dieses Puffers ist ein Gas. Gelöstes Kohlendioxid steht im Gleichgewicht mit dem in der Lunge; Tempo und Tiefe der Atmung ändern also unmittelbar den Nenner des Verhältnisses, binnen ein bis zwei Atemzügen — ihn von 1,2 auf 2,4 mM zu verdoppeln senkt den berechneten pH von 7,40 auf 7,10. Die Niere stellt die andere Hälfte ein, das Bicarbonat, und braucht dafür Stunden bis Tage. Diese Aufteilung ist die gesamte Architektur der Säure-Basen-Regulation: ein schneller Hebel mit kleinem Hub und ein langsamer mit großem, an Zähler und Nenner desselben Bruchs.

Verdünnen zerstört sehr wohl etwas: die Kapazität

Der pH eines zehnfach verdünnten Puffers bleibt gleich, seine Fähigkeit ihn zu halten nicht. Die Pufferkapazität skaliert mit den absoluten Konzentrationen: Die verdünnte Lösung nimmt ein Zehntel so viel zugesetzte Säure auf, bevor ihr Verhältnis — und damit ihr pH — sich zu bewegen beginnt. Deshalb nennt eine Vorschrift sowohl den pH als auch die Molarität eines Puffers, und deshalb ist die zweite Zahl kein Schmuck. Es erklärt auch, warum ein Puffer nahe seinem eigenen pKa am besten arbeitet: Bei einem Verhältnis nahe 1:1 sind beide Partner reichlich vorhanden, um Ankommendes zu verbrauchen, während bei 20:1 einer fast aufgebraucht ist und die Lösung Säure weit besser widersteht als Base.

Häufige Fragen

Warum benutzt die Gleichung einen Logarithmus?

Weil der pH bereits einer ist. Die pH-Skala ist der negative Zehnerlogarithmus der Wasserstoffionenkonzentration; eine Lösung bei pH 5 hat die zehnfache Konzentration einer bei pH 6 und die hundertfache einer bei pH 7. In Logarithmen zu rechnen macht aus dem Multiplizieren von Konzentrationen das Addieren kleiner Zahlen — der einzige Grund, warum die Rechnung im Kopf gelingt. Es heißt auch, dass klein wirkende pH-Änderungen chemisch groß sind: Der Schritt von 7,40 auf 7,10 in der Tabelle ist eine Verdopplung der Wasserstoffionenkonzentration, keine Änderung um drei Prozent.

Wo hört die Gleichung auf, genau zu sein?

An den Rändern des Verhältnisses und in konzentrierten Lösungen. Jenseits von etwa zehn zu eins in beide Richtungen versagt die zugrunde liegende Näherung allmählich — praktisch die Grundlage der Regel, dass ein Puffer im Bereich von etwa einer pH-Einheit um seinen pKa arbeitet. Sie unterstellt außerdem ideales Verhalten der Konzentrationen, was in dicht besetzten Lösungen aufhört zu gelten: Ernsthafte Arbeit bei hoher Ionenstärke rechnet mit Aktivitäten statt Konzentrationen, und der pKa selbst verschiebt sich mit der Temperatur und mit dem, was sonst gelöst ist. Für einen Laborpuffer nahe 1:1 bei üblicher Konzentration spielt nichts davon eine Rolle; für einen auf zwei Nachkommastellen angegebenen Wert alles.