Mehrprotonische Säuren enthalten mehr als ein dissoziierbares Proton. Einige mehrprotonige Säuren sind nachfolgend aufgelistet:

Diese Säuren dissoziieren in mehreren Stufen, die Säurekonstanten dieser Einzelvorgänge werden K_s1, K_s2 usw. genannt. Dabei gilt

K_total = K_s1 x K_s2

Die Phosphorsäure ist eine 3-protonige Säure und kann demnach 3 Protonen abgeben. Die einzelnen Schritte verlaufen von der Phosphorsäure über das Dihydrogenphosphation (H₂PO₄^-), das Hydrogenphosphation (HPO₄^2-) bis zur vollständigen Dissoziation beim Phosphation (PO₄^3-).

In der Chemie wird die Titration als quantitative Methode verwendet, um die Konzentration einer Säure oder Base zu bestimmen. Dies wird dadurch gemacht, daß man z.B zu einer Säure eine bestimmte Menge Base hinzugibt bis eine Neutralisation erreicht ist. Verfolgen wir mal die Titration verschiedener Säuren und Basen.

Titration einer starken Base mit einer starken Säure (1-protonig)

Zunächst wollen wir die Menge der OH-- Ionen in NaOH mit Salzsäure (HCl) titrieren. Dazu füllen z. B. 50 mL NaOH in eine Erlenmeyerkolben ein und geben langsam mit Hilfe einer Bürette kleine Mengen (0,1 ml) an 0,1 M HCl dazu. Der pH der Ausgangslösung beträgt 12. Jedesmal, wenn wir 0,1 ml HCl dazutropfen messen wir den pH-Wert der NaOH-Lösung. Dabei wird ausreichend gerührt. Wir beenden den Versuch, wenn der pH-Wert < 3 ist. Das Ergebnis der Messungen tragen wir in ein Diagramm ein.

Zunächst ändert sich der pH bei Säurezugabe nur wenig. Kommen wir allerdings in den Bereich, wo die Konzentration der Salzsäure ungefähr der der NaOH entspricht, ändert sich der pH sehr stark. Der Punkt, an dem sich genau die beiden Konzentrationen gleichen heißt Äquivalenzpunkt [OH^-] =[H₃O⁺] . Dieser entspricht dem Wendepunkt der Kurve und ist = dem Neutralpunkt.
Geben wir dann noch weiter Säure dazu, fällt der pH bis unter 3; noch mehr Säurezugabe lässt den pH- wieder nur langsam sinken.

Wenn man 10.0 mL einer 0.1 molaren HCl-Lösung benötigt, um 50 mL einer NaOH-Lösung bis zum Neutralpunkt zu titrieren (pH = 7), dann enthält die Probe eine Konzentration von 0.02 Mol (Molmasse 17), oder 0.35 g/L Hydroxid.

Molarität = Volumen der Säure x Säurekonzentration / Volumen der Probe

Molarität = Anzahl der Mole /Liter Hydoxid.

Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base

Titrieren wir nun mal eine schwache Säure wie Essigsäure (K_s = 1.8 x 10^-5), so fällt im Vergleich zur Titration einer starken Säure auf, daß:

Versuchen wir mal folgende Aufgabe zu lösen:

Titration einer 2-protonigen Säure mit einer starken Base

Wird eine 2-protonige Säure wie z.B. die Kohlensäure titriert ergibt sich folgendes Bild:

Die Kohlensäure dissoziiert wie oben angegeben in 2 Schritten. Die Titrationskurve hat 2 Äquivalenzpunkte. Der Wendepunkt der Kurve zwischen den beiden Äquivalenzpunkten hat einen pH-Wert von 6,4 und entspricht genau dem pKs1. Dort besteht ein Gleichgewicht zwischen den Konzentrationen der undissoziierten Säure H₂CO₃ und dem Bicarbonation HCO₃^-.

Puffer

In der Abbildung 4.24 ist die Titrationskurve einer schwachen Säure (Essigsäure) zusehen. Die meisten Säuren sind schwache Säuren wie viele organische Säuren (Aminosäuren usw.).
Wie wir schon gesehen haben, ist im Wendepunkt der Kurve der pH = dem pK_s. In diesem Punkt ist die Hälfte der Säure dissoziiert, d.h. [CH₃COOH] = [CH₃COO^-].

Der Zusammenhang von pH und pKs wird durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung hergestellt. Diese leitet sich direkt aus der allgemeinen Protolysengleichung ab und gilt für schwache Säuren und Basen:

Sie wird auch Puffergleichung genannt.

Wenden wir nun die Puffergleichung auf die Essigsäuredissoziation an ergibt sich:

Lösungen mit einem solchen Konzentrationsverhältnis von undissoziierter Säure und konjugierter Base sind relativ unempfindlich gegen pH-Änderungen. Wie man an der Titrationskurve ablesen kann, ändert sich trotz beträchtlicher Mengen an OH- der pH-Wert nur wenig. Eine solche Lösung nennt man deshalb einen Puffer. Die Protonen bzw. OH^--Ionen werden abgepuffert.
Sind gleiche Konzentrationen der Säure und des Säurerests vorhanden bildet sich bei H+-Zugabe aus dem Säurerest Säure und bei OH-Ionenzugabe aus der Säure Säurerest.

Definition Puffer

Ein Puffer ist eine gleichmolares Gemisch einer schwachen Säure und ihrem Säurerest. .

In der lebenden Zelle ist die Aufrechterhaltung des pH ist wesentlich. Enzymatisch katalysierte Reaktionen benötigen einen bestimmten pH-Wert, da die Protein-Konformation pH-abhängig ist.
Auch in der Biochemie sind solche Pufferlösungen von größter Bedeutung. Je nach pK-Wert kommen unterschiedliche Puffer zum Einsatz:

Hier ein Auszug aus einer Versuchsvorschrift:

AMYLASE-AKTIVITÄT IM SPEICHEL DES MENSCHEN

Im Versuch wird eine Reihe von verschiedenen Verdünnungen menschlichen Speichels hergestellt und deren Aktivität durch photometrische Bestimmung der Reststärke in einem Verdauungsansatz bestimmt.

a) Gewinnung des Speichels und Herstellung der Verdünnungsreihe
Es wird Speichel in ein Uhrglasschälchen eingebracht und 100 µL (ohne Blasen) entnommen. Er wird zunächst mit 900 µL Aqua dest. verdünnt; von dieser Lösung werden wiederum 100 µL mit 900 µL a.d. verdünnt (1. verwendete Verdünnung: 1:100). Ein Anteil der 1. Verdünnung (500 µL) wird mit der gleichen Menge Aqua dest. (500 µL) weiter verdünnt (2. Verdünnung: 1:200). Die 2. Verdünnung wird wieder 1:1 mit Aqua dest. verdünnt (3. Verdünnung) und so insgesamt 5 Verdünnungsstufen hergestellt. Alle Verdünnungen sind in Eppendorf-Reaktionsgefäßen (1,5 mL) durchzuführen. Gut schütteln!

b) Verdauungsansatz
7 Reaktionsgefäße werden jeweils mit folgenden Lösungen beschickt:
300 µL Phosphatpuffer pH 7,2 (0,762 g KH2PO4 und 2,045 g Na2HPO4 in 100 mlLAqua dest.),
100 µL 0,5 NaCl-Lösung (0,5 mol ·L -1 ). Sodann in die Reaktionsgefäße Nr. 2-7 jeweils 500 µL Substratstärkelösung (1,2 g lösliche Stärke in 100 mL Aqua dest.) einbringen. Das Reaktionsgefäß Nr. 1 (Leerwert) mit 500 µL Aqua dest. anstatt des Substrates beschicken. Alle 7 Nahrungsaufnahme und Verdauung Ansätze gut durchmischen und 10 min bei 37°C temperieren. Danach in die im Wasserbad (!) stehenden Eppendorf-Reaktionsgefäße zu protokollierten Zeiten im Abstand von 1 min
einpipettieren:
Nr. 1: 100 µL Speichelverdünnung 1 : 100 (1. Verdünnung)
Nr. 2-6 : je 100 µL der 5 obigen Speichelverdünnungen (1:100 – 1:1600)
Nr. 7: 100 µL Aqua dest.
Jedes Reaktionsgefäß sofort intensiv schütteln und in das Wasserbad zurückstellen. Jeweils nach genau 30 Minuten werden 100 µL HCI (1 mol ····L -1 ) zugefügt und gut vermischt. Dadurch wird die Reaktion gestoppt.

c) Photometrie
In sieben neue Eppendorf-Reaktionsgefäße werden je 1000 µL HCI (0,01 mol ····L -1 ) eingefüllt.
Aus jedem der abgestoppten obigen Ansätze 1 - 7 werden 20 µL auspipettiert und zu der Salzsäure (0,01 mol ·L -1 ) zugemischt. Zur Farbbildung wird 10 µL Jodreagenz (Lugolsche Lösung) zu jedem Reaktionsgefäß zugefügt und sehr gut durchmischt. Die Extinktion der Farblösung wird im Photometer bei 620 nm bestimmt.

Berechnungsbeispiel

Ein neu entdecktes Protein ist nur bei einem pH-Wert von 7,2 stabil. Stellen Sie 1 Liter eines geeigneten Puffers mit einer Konzentration von 100 mM her. Lösung Schritt 1: Bestimmung des geeignetsten Puffers Wir wissen, daß für unseren Puffer der pKs der schwachen Säure innerhalb 1 Einheit des gewünschten pH-Wertes sein muß, je genauer, desto besser. Aus der Liste oben entnehmen wir, daß der H2PO4-- Puffer der geeignetste ist. Da wir die Pufferlösung aus den Salzen selbst herstellen müssen benötigen wir Natriumdihydrogenphosphat NaH2PO4 als schwache Säure und Dinatrium hydrogenphosphat Na2HPO4 als konjugierte Base. In Lösung diessoziieren diese Salze in H2PO4- und HPO42-. Schritt 2 : Berechnung 7.2 = 6.82 + log [HPO42-]/[H2PO4-] log [HPO42-]/[H2PO4-] = 0.38 Umrechnung: [HPO42-]/[H2PO4-] = 100.38 [HPO42-]/[H2PO4-] = 2.4 Wir benötigen also 2,4 mal soviel konjugierte Base wie Säure. Schritt 3: Bestimmung des molaren Verhältnisses der endgültigen Lösung Wir benötigen 1 Liter eines 100mM Puffers. [HPO42-] + [H2PO4-] = 100 mM Aus obiger Rechnung wissen wir: [HPO42-]/[H2PO4-] = 2.4 [HPO42-] = 2.4[H2PO4-] Einsetzen bei 2 Gleichungen mit 2 Unbekannten: 2.4[H2PO4-] + [H2PO4-] = 100 mM 3.4[H2PO4-] = 100 mM [H2PO4-] = 29 mM [HPO42-] = 100 mM - 29 mM [HPO42-] = 71 mM Um 1 Liter Pufferlösung herzustellen brauchen wir 29 mMole Hydrogenphosphat und 71 mMole Dihydrogenphosphat aufgefüllt auf 1 L.