Soluzione tampone

Soluzione che si oppone alla variazione di pH

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

Si tratta generalmente di soluzioni

  • di un acido debole e il suo sale formato con una base forte (per esempio il sistema acido acetico - acetato di sodio) o, viceversa,
  • di una base debole e il suo sale formato con un acido forte (per esempio il sistema ammoniaca - cloruro d'ammonio) o ancora
  • di un sale, di una base debole e di un acido debole
  • di acidi e basi forti concentrate.

Le soluzioni tampone sono ampiamente impiegate in chimica analitica e in quei processi dove è utile o necessario stabilizzare il pH su un valore desiderato. Caratteristica di questo genere di soluzioni è il potere tamponante, definito comunemente come la quantità di acido o base forte da aggiungere a una soluzione tampone per ottenere una variazione di pH unitaria.

Il pH delle soluzioni tamponeModifica

Acido debole e suo saleModifica

L'acido debole HA è poco dissociato; l'equilibrio di dissociazione è

 

cui corrisponde la costante di dissociazione acida

 

il sale MA è invece completamente dissociato

 

l'anione A- prodotto dal sale fa quindi ulteriormente retrocedere la dissociazione dell'acido debole. Si possono quindi approssimare la concentrazione all'equilibrio dell'acido HA con il suo valore nominale   e la concentrazione all'equilibrio dell'anione dissociato con quella nominale del sale  ; l'espressione della costante di dissociazione può quindi essere riscritta come

 

da cui si ottiene che

 

e quindi

 
 

quando   e   coincidono, il pH della soluzione coincide con il pKa dell'acido debole.

Base debole e suo saleModifica

La base debole MOH è poco dissociata; l'equilibrio di dissociazione è

 

cui corrisponde la costante di dissociazione basica

 

il sale MA è invece completamente dissociato

 

il catione M+ prodotto dal sale fa quindi ulteriormente retrocedere la dissociazione della base debole. Si possono quindi approssimare la concentrazione all'equilibrio della base MOH con il suo valore nominale   e la concentrazione all'equilibrio del catione dissociato con quella nominale del sale  ; l'espressione della costante di dissociazione può quindi essere riscritta come:

 

da cui si ottiene che

 

e quindi

 
 

quando   e   coincidono, il pH della soluzione coincide con il complemento a 14 del pKb della base debole.

Confronto tra soluzione tamponata e non tamponataModifica

Per aggiunta di 0,01 mol/l di un acido forte (per esempio, acido cloridrico) in acqua distillata il pH passa da 7 a 2. Un salto di 5 unità che corrisponde a un aumento di 100.000 volte della concentrazione di ioni H+ liberi.

Per aggiunta della stessa quantità di acido forte a una soluzione tampone contenente 0,1 mol/l di acido acetico e 0,1 mol/l di acetato di sodio il pH passa da 4,75 a 4,65. Un salto di sole 0,1 unità.

Sistemi tampone di uso comuneModifica

Illustrazione di una soluzione tampone: acetato di sodio/acido aceticoModifica

La costante di dissociazione acida per l'acido acetico è data dall'equazione

 

Dato che l'equilibrio coinvolge solamente un acido debole e una base, si può presumere che la ionizzazione dell'acido acetico e l'idrolisi dello ione acetato siano trascurabili. In un tampone con una uguale quantità di acido acetico e acetato di sodio, l'equazione di equilibrio si semplifica in

 ,

e il pH del tampone, allo stesso modo, è il pKa.

Per determinare l'effetto di addizione di un acido forte come HCl, la seguente formula matematica fornisce il nuovo pH. Dato che HCl è un acido forte, si ionizza completamente nella soluzione. Questo incrementa la concentrazione di H+ nella soluzione, che neutralizza poi l'acetato seguendo questa equazione:

 

Gli ioni idrogeno consumati cambiano il numero effettivo di moli di acido acetico e degli ioni acetato:

 
 

Dopo aver considerato la variazione di volume per determinare le concentrazioni, il nuovo pH può essere calcolato dall'equazione di Henderson-Hasselbalch. A qualsiasi neutralizzazione risulterà una variazione minima di pH, dato che si utilizza una scala logaritmica.

Equilibrio acido baseModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Equilibrio acido base.

Le reazioni biochimiche sono particolarmente sensibili al pH infatti le molecole biologiche contengono gruppi di atomi che possono caricarsi o essere neutri in funzione del pH e ciò ha effetto sull'attività biologica della molecola. Negli organismi pluricellulari il fluido all'interno della cellula e i fluidi che circondano le cellule hanno un pH caratteristico e praticamente costante che viene mantenuto da sistemi tampone biologici come il sistema diidrogeno fosfato e il sistema acido carbonico.

BibliografiaModifica

  • D.C. Harris, Chimica analitica quantitativa, Zanichelli, 2005
  • M. Forina, Introduzione alla chimica analitica (2 volumi), ECIG, 2003

Voci correlateModifica

Collegamenti esterniModifica

  Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia