Cos’è una soluzione tampone?

1. Come procedere per preparare una soluzione tampone? 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. 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?

2. SOLUZIONI TAMPONE Sistemi capaci di opporsi a brusche variazioni di pH in seguito ad aggiunta di acidi o basi Per poter tamponare una soluzione a un dato pH deve valere la seguente relazione H A + H O - + 2 A + H O 3 Acido 1 Base 2 Base 1 Acido 2 Aggiunta di acido à Tende ad aumentare [H3O+] Aggiunta di base à Tende ad aumentare [OH-] A- neutralizza l’aggiunta dell’Acido HA neutralizza l’aggiunta della Base A- viene consumato; HA prodotto HA viene consumato; A- prodotto 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). 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 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!

3. 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?

4. La scelta del sistema tampone: fissiamo il livello 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.

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

6. 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.

7. Aggiunta di acido à Tende ad aumentare [H3O+] Aggiunta di base à Tende ad aumentare [OH-] A- neutralizza l’aggiunta dell’Acido HA neutralizza l’aggiunta della Base A- viene consumato; HA prodotto HA viene consumato; A- prodotto 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).

8. Come si procede praticamente … Utilizzo del pH-metro Nel 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.

9. Come si procede praticamente … Utilizzo di ricette riportate su appositi manuali (Handbook of Chemistry and Physics, 2007)

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

11. Algebra 1 … All’equilibrio: Considerando condizioni di p e T standard, consideriamo solo la dipendenza del potenziale chimico dalla concentrazione Numero di equilibrio (impropriamente costante di equilibrio)

12. Algebra 2 … Equazione di Henderson- Hasselbach