Cos’è una soluzione tampone?

Si definisce una soluzione tampone una soluzione che si oppone alla variazione del pH per aggiunte moderate di acidi o basi.

Gli acidi, rispettivamente le basi aggiunte alla soluzione vengono neutralizzati dalla base rispettivamente dall’acido.Perché tale comportamento sia possibile, per preparare una soluzione tampone devo utilizzare un acido (o una base) debole.

Come procedere per preparare una soluzione tampone?

Analogia:Quale forma deve avere un vaso per far sì che, a seguito di aggiunta o sottrazione di acqua, il livello non cambi di molto?

SOLUZIONI TAMPONE

Sistemi capaci di opporsi a brusche variazioni di pH in seguito ad aggiunta di acidi o basi

Per poter tamponare la variazione di pH susseguente ad un’aggiunta di acido o base, una soluzione deve contenere una coppia (coniugata) Acido/Base debole in quantità simili

HA + H2O A- + H3O+

Acido 1 Base1Base2 Acido2

Per poter tamponare una soluzione a un dato pH deve valere la seguente relazione

Se una coppia Acido/Base ha un dato pKa, solo in un intervallo assai ristretto si verifica la condizione necessaria per tamponare aggiunte di acidi o basi (presenza contemporanea di HA e A- in quantità simili). Al di fuori di questo intervallo di pH il sistema sarebbe capace di tamponare unicamente o solo l’aggiunta di acido (pH>pKa, presenza solo di A-) o solo l’aggiunta di una base (pH < pKa, presenza solo di HA).

apH pK

A

AH K log

HAp p

A AK log Kp +

3

A

A H OK

HA

HA A

Deboli aggiunte di acidi (generano H3O+ in soluzione) o basi (generano OH- in soluzione) vengono neutralizzate da A- rispettivamente HA. Le concentrazioni di HA e A- cambiano, ma il pH rimane pressoché invariato!

Aggiunta di acido Tende ad aumentare [H3O+]

A- neutralizza l’aggiunta dell’Acido

A- viene consumato; HA prodotto

- +3 2A + H O HA + H O

+3

HA 1K 1

KA H O A

HA neutralizza l’aggiunta della Base

2HA + OH A + H O

HA viene consumato; A- prodotto

-

A KK 1

KHA OHA

W

Aggiunta di base Tende ad aumentare [OH-]

Due domande a cui dare una risposta per preparare una soluzione tampone

1 Quale pH deve poter mantenere la soluzione?

2 Quale quantità di acido rispettivamente di base deve essere in grado di neutralizzare la soluzione?

Nella nostra analogia:

A quale livello si situa il rigonfiamento massimo del vaso?

Quanto grande deve essere il rigonfiamento? Quanto “largo” deve cioè essere il vaso?

La scelta del sistema tampone: fissiamo il livello

apH pK

Si prende un acido debole il cui pKa sia il più prossimo possibile al pH che deve garantire la soluzione tampone.

La scelta della quantità di acido e base

Si deve valutare la quantità di acido e di base che il nostro tampone dovrebbe essere in grado di neutralizzare.

HA A totc

Le due condizioni permettono di definire in maniera univoca la modalità per preparare la soluzione tampone dalle proprietà desiderate (due equazioni per due incognite)

-

(pH-pKa)A

10HA

-A HA totc

Come procedo per preparare la soluzione tampone

Per via diretta

Metto nel bicchiere le rispettive masse di acido e base e poi aggiungo acqua fino ad ottenere il volume desiderato di soluzione.

A AA soluzionem V M

HA HA

HA soluzionem V M

Amassa molare di A M

HA

massa molare di HA M

Come procedo per preparare la soluzione tampone

Per via indiretta

A volte capita di non disporre dell’acido o della base debole. Per ovviare a questa situazione, la base coniugata (rispettivamente l’acido) può essere prodotta in soluzione tramite reazione chimica tra l’acido e una base forte (ad esempio NaOH).

Aggiunta di acido Tende ad aumentare [H3O+]

A- neutralizza l’aggiunta dell’Acido

A- viene consumato; HA prodotto

- +3 2A + H O HA + H O

+3

HA 1K 1

KA H O A

HA neutralizza l’aggiunta della Base

2HA + OH A + H O

HA viene consumato; A- prodotto

-

A KK 1

KHA OHA

W

Aggiunta di base Tende ad aumentare [OH-]

Come si procede praticamente …

Utilizzo del pH-metroNel bicchiere si mette la quantità totale di acido o base debole desiderata e poi si aggiunge una base o un acido forte in modo da produrre la quantità desiderata di base, rispettivamente acido coniugato. Ciò fino a quando il pH-metro indica il pH desiderato.

Come si procede praticamente …

Utilizzo di ricette riportate su appositi manuali (Handbook of Chemistry and Physics, 2007)

Esercizio

Preparare 500 dm3 soluzione tampone 10 mM a pH 4,65

Algebra 1 …+HA A H

All’equilibrio:

+HA A H

Considerando condizioni di p e T standard, consideriamo solo la dipendenza del potenziale chimico dalla concentrazione

+

0 0 0 +HA A H

log HA log A log Hd d deq eq eq

+

0 0 0 +HA A H

log A log H log HAd d d eqeq eq

+

+0 0 0 0HA A H

A Hlog

HAeq eq

d d eq

0+A H10

HAdeq eq

A

eq

K

Numero di equilibrio

(impropriamente costante di equilibrio)

Algebra 2 … +HA A H

A H

HAAK

A H A

log log log log HHA HAAK

A

log log log HHAAK

A

log HHAApK p

A

H logHAAp pK

Equazione di Henderson- Hasselbach