Tamponi: caratteristiche, preparazione ed esempi
Le soluzioni tampone sono quelle che possono ridurre i cambiamenti di pH dovuti agli ioni H 3 O + e OH-. In assenza di questi, alcuni sistemi (come quelli fisiologici) sono interessati, in quanto i loro componenti sono molto sensibili alle variazioni improvvise del pH.
Proprio come gli ammortizzatori delle auto diminuiscono l'impatto causato dal loro movimento, i respingenti fanno lo stesso, ma con l'acidità o la basicità della soluzione. Inoltre, le soluzioni tampone stabiliscono uno specifico intervallo di pH entro il quale sono efficienti.
In caso contrario, gli ioni H 3 O + acidificheranno la soluzione (il pH scende a valori inferiori a 6), determinando una possibile alterazione nell'esecuzione della reazione. Lo stesso esempio può essere applicato per valori di pH di base, cioè superiori a 7.
lineamenti
composizione
In sostanza sono composti da un acido (HA) o una base debole (B), e sali della sua base o coniugati acidi. Di conseguenza, ci sono due tipi: tamponi acidi e tamponi alcalini.
I buffer di acido corrispondono alla coppia HA / A, dove A- è la base coniugata dell'HA acido debole e interagisce con gli ioni, come il 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.
Derivando dal debole acido HA, attenua gli intervalli di pH acido (meno di 7) secondo la seguente equazione:
HA + OH- => A- + H 2 O
Tuttavia, essendo un acido debole, la sua base coniugata è parzialmente idrolizzata per rigenerare una parte dell'HA consumato:
A- + H 2 O HA + OH-
D'altra parte, i tamponi alcalini sono costituiti dalla coppia B / HB +, dove HB + è l'acido coniugato della base debole. Generalmente, HB + forma sali con ioni cloruro, lasciando la coppia come B / HBCl. Questi buffer bufferano intervalli di pH di base (superiori a 7):
B + H 3 O + => HB + + H 2 O
E, ancora, HB + può parzialmente idrolizzare per rigenerare parte del B consumato:
HB + + H 2 OB + H 3 O +
Neutralizza sia gli acidi che le basi
Sebbene i tamponi acidi tamponino gli acidi pH e i tamponi basici alcalini pH, entrambi possono reagire con gli ioni H 3 O + e OH- attraverso queste serie di equazioni chimiche:
A- + H 3 O + => HA + H 2 O
HB + + OH- => B + H 2 O
Quindi, nel caso della coppia HA / A, l'HA reagisce con gli ioni OH, mentre A- - la sua base coniugata - reagisce con l'H 3 O +. Non appena la coppia B / HB +, B reagisce con gli ioni H 3 O +, mentre HB + - il suo acido coniugato - con l'OH-.
Ciò consente a entrambe le soluzioni tampone di neutralizzare sia le specie acide che quelle basiche. Il risultato di quanto sopra contro, per esempio, l'aggiunta costante di moli di OH-, è la diminuzione della variazione di pH (ΔpH):
L'immagine in alto mostra lo smorzamento del pH contro una base forte (donatore di OH-).
Inizialmente il pH è acido a causa della presenza di HA. Quando viene aggiunta la base forte, le prime moli di A- sono formate e il buffer inizia ad avere effetto.
Tuttavia, vi è un'area della curva in cui la pendenza è meno ripida; cioè, dove lo smorzamento è più efficiente (cornice bluastra).
efficienza
Esistono diversi modi per comprendere il concetto di efficienza del buffer. Uno di questi è determinare la derivata seconda della curva di pH rispetto al volume di base, eliminando V per 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 = pK a + log ([B] / [A])
Qui B indica la base, A l'acido e pK a è il logaritmo più basso della costante di acidità. Questa equazione si applica sia alla specie acida HA che all'acido coniugato HB +.
Se [A] è molto grande rispetto a [B], il log () assume un valore molto negativo, che viene sottratto da pK a . Se invece [A] è molto piccolo rispetto a [B], il valore di log () assume un valore molto positivo, che viene aggiunto a pK a . Tuttavia, quando [A] = [B], il log () è 0 e il pH = pK a .
Cosa significa tutto quanto sopra? Che l'ΔpH sarà maggiore negli estremi considerati per l'equazione, mentre sarà più piccolo con un pH uguale a pK a ; e poiché pK a è caratteristica di ciascun acido, questo valore determina l'intervallo pK a ± 1.
I valori di pH all'interno di questo intervallo sono quelli in cui il buffer è più efficiente.
preparazione
Per preparare una soluzione tampone è necessario tenere presente 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, cerchiamo tutti gli acidi deboli, quelli il cui pK a è più vicino a questo valore.
- Una volta scelta la specie HA e calcolata la concentrazione del tampone (a seconda di quanto base o acido è necessario neutralizzare), viene pesata la quantità necessaria del suo sale di sodio.
Esempi
L'acido acetico possiede un pK a di 4, 75, CH 3 COOH; pertanto, una miscela di certe quantità di questo acido e acetato di sodio, CH 3 COONa, forma un tampone che assorbe in modo efficiente nell'intervallo di pH (3, 75-5, 75).
Altri esempi di acidi monoprotici sono gli acidi benzoici (C 6 H 5 COOH) e formici (HCOOH). Per ognuno di questi i suoi valori di pK a sono 4.18 e 3.68; pertanto, i loro intervalli di pH di buffering superiore sono (3.18-5.18) e (2.68-4.68).
D'altra parte, gli acidi polipropilici come fosforico (H 3 PO 4 ) e carbonico (H 2 CO 3 ) hanno tanti valori di pK a quanto i protoni possono rilasciare. Quindi, H 3 PO 4 ha tre pK a (2, 12, 7, 21 e 12, 67) e H 2 CO 3 ne ha due (6, 352 e 10, 329).
Se si desidera mantenere un pH di 3 in una soluzione, è possibile scegliere tra il buffer HCOONa / HCOOH (pK a = 3, 68) e NaH 2 PO 4 / H 3 PO 4 (pK a = 2, 12).
Il primo tampone, quello dell'acido formico, è più vicino a pH 3 rispetto al tampone dell'acido fosforico; pertanto, HCOONa / HCOOH è meglio tamponato a pH 3 rispetto a NaH 2 PO 4 / H 3 PO 4 .
