Il soluzioni tampone oppure i tamponi sono quelli che possono diminuire le variazioni di pH dovute agli ioni H.3O+ e OH-. In assenza di questi, alcuni sistemi (come quelli fisiologici) sono danneggiati, poiché i loro componenti sono molto sensibili ai cambiamenti improvvisi del pH.
Proprio come gli ammortizzatori delle auto riducono l'impatto causato dal loro movimento, i respingenti fanno lo stesso ma con l'acidità o la basicità della soluzione. Inoltre, i tamponi stabiliscono uno specifico intervallo di pH entro il quale sono efficienti..
Altrimenti, gli ioni H.3O+ acidificheranno la soluzione (il pH scende a valori inferiori a 6), portando di conseguenza una possibile alterazione della resa della reazione. Lo stesso esempio può essere applicato per valori di pH basici, cioè maggiori di 7.
Indice articolo
Sono essenzialmente composti da un acido (HA) o una base debole (B) e sali della loro base o acido coniugato. Di conseguenza, ci sono due tipi: tamponi acidi e tamponi alcalini..
I tamponi acidi corrispondono alla coppia HA / A-, dove- è la base coniugata dell'acido debole HA e interagisce con gli ioni, come Na+- per formare sali di sodio. In questo modo, la coppia rimane come HA / NaA, sebbene possano anche essere sali di potassio o di calcio.
Derivato dall'HA acido debole, tampona gli intervalli di pH acidi (inferiori a 7) secondo la seguente equazione:
HA + OH- => A- + HDueO
Tuttavia, essendo un acido debole, la sua base coniugata è parzialmente idrolizzata per rigenerare parte dell'HA consumato:
PER- + HDueO <=> HA + OH-
D'altra parte, i tamponi alcalini sono costituiti dalla coppia B / HB+, dove HB+ è l'acido coniugato della base debole. In generale, HB+ forma sali con ioni cloruro, lasciando la coppia come B / HBCl. Questi tamponi tamponano gli intervalli di pH basici (maggiori di 7):
B + H3O+ => HB+ + HDueO
E ancora, HB+ può essere parzialmente idrolizzato per rigenerare parte di B consumato:
HB+ + HDueO <=> B + H3O+
Mentre i tamponi acidi tamponano il pH acido e tamponi alcalini il pH basico, entrambi possono reagire con gli ioni H.3O+ e OH- attraverso queste serie di equazioni chimiche:
PER- + H3O+ => HA + HDueO
HB+ + Oh- => B + HDueO
Quindi, nel caso della coppia HA / A-, HA reagisce con gli ioni OH-, mentre A- -la sua base coniugata- reagisce con l'H3O+. Per quanto riguarda la coppia B / HB+, B reagisce con gli ioni H.3O+, mentre HB+ -il suo acido coniugato- con l'OH-.
Ciò consente a entrambi i tamponi di neutralizzare sia le specie acide che quelle basiche. Il risultato di quanto sopra contro, ad esempio, l'aggiunta costante di moli di OH-, è la diminuzione della variazione di pH (ΔpH):
L'immagine in alto mostra il tamponamento del pH contro una base forte (donatore di OH-).
Inizialmente il pH è acido per la presenza di HA. Quando viene aggiunta la base forte, si formano le prime moli di A.- e il buffer inizia ad avere effetto.
Tuttavia, c'è un'area della curva in cui la pendenza è meno ripida; cioè dove lo smorzamento è più efficiente (riquadro bluastro).
Esistono diversi modi per comprendere il concetto di efficienza di smorzamento. Uno di questi è determinare la derivata seconda della curva pH rispetto al volume di base, risolvendo per V il valore minimo, che è Veq / 2.
Veq è il volume nel punto di equivalenza; questo è il volume di base necessario per neutralizzare tutto l'acido.
Un altro modo per capirlo è attraverso la famosa equazione di Henderson-Hasselbalch:
pH = pKper + log ([B] / [A])
Qui B indica la base, A l'acido e pKper è il logaritmo più piccolo della costante di acidità. Questa equazione si applica sia per la specie acida HA, sia per l'acido coniugato HB+.
Se [A] è molto grande rispetto a [B], log () assume un valore molto negativo, che viene sottratto dal pKper. Se invece [A] è molto piccolo rispetto a [B], il valore di log () assume un valore molto positivo, che si somma a pKper. Tuttavia, quando [A] = [B], log () è 0 e pH = pKper.
Cosa significa tutto quanto sopra? Che il ΔpH sarà maggiore negli estremi considerati per l'equazione, mentre sarà minimo con un pH pari al pKper; e come pKper è caratteristico di ogni acido, questo valore determina l'intervallo pKper± 1.
I valori di pH all'interno di questo intervallo sono quelli in cui il tampone è più efficiente..
Per preparare una soluzione tampone, è necessario tenere presenti i seguenti passaggi:
- Conoscere il pH richiesto e, quindi, quello che si desidera mantenere il più costante possibile durante la reazione o il processo.
- Conoscendo il pH, si cercano tutti gli acidi deboli, quelli il cui pKper è più vicino a questo valore.
- Dopo aver scelto la specie HA e calcolato la concentrazione del tampone (a seconda di quanta base o acido deve essere neutralizzato), viene pesata la quantità necessaria del suo sale di sodio..
L'acido acetico ha un pKper di 4.75, CH3COOH; quindi, una miscela di determinate quantità di questo acido e acetato di sodio, CH3COONa, forma un tampone che tampona efficacemente nell'intervallo di pH (3,75-5,75).
Altri esempi di acidi monoprotici sono gli acidi benzoici (C.6H5COOH) e formico (HCOOH). Per ognuno di questi i loro valori pKper sono 4.18 e 3.68; pertanto, i loro intervalli di pH tampone più elevati sono (3,18-5,18) e (2,68-4,68).
D'altra parte, gli acidi poliprotici come il fosforico (H.3PO4) e carbonica (H.DueCO3) hanno tanti valori pKper come i protoni possono rilasciare. Pertanto, l'H3PO4 ha tre pKper (2.12, 7.21 e 12.67) e l'HDueCO3 ha due (6.352 e 10.329).
Se vuoi mantenere un pH di 3 in una soluzione, puoi scegliere tra HCOONa / HCOOH (pKper= 3,68) e NaHDuePO4/ H3PO4 (pKper= 2,12).
Il primo tampone, quello dell'acido formico, è più vicino a pH 3 rispetto al tampone dell'acido fosforico; quindi HCOONa / HCOOH tampona meglio a pH 3 rispetto a NaHDuePO4/ H3PO4.
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