Appunti di chimica: soluzioni tampone

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Introduzione

Molte soluzioni acquose sono capaci di mantenere inalterato il proprio pH anche dopo l'aggiunta di piccole quantità di acidi o di basi e vengono definite soluzioni tampone. Questi tipi di analisi chimiche vengono utilizzate molto non solo per le analisi dei liquidi in generale, ma anche per tenere controllati i valori dele sangue. Vediamo più nel dettaglio in questa guida alcuni appunti di chimica relativi alle soluzioni tampone.

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Per molti e importanti aspetti anche il comportamento chimico dell'acqua marina dipende dal suo pH, tamponato, in prossimità della superficie, ha valori contenuti all'incirca fra 8,1 e 8,3. L'aggiunta di una piccola quantità di acido o di base all'acqua di mare non provoca le variazioni di pH che si registrerebbero con l'acqua pura. Facciamo un esempio aggiungendo 0,1 mL di HCl 1 M (1 x 10-4 mol HCl) a un litro di acqua di mare e ad un litro di acqua pura. Il pH di quest'ultima varia di tre unità, da 7 a 4, laddove quello dell'acqua di mare varia solamente di 0,6 unità, da 8,2 a 7,6. A limitare la variazione di [H+] nel secondo caso sono le sostanze già presenti in soluzione.

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Il tampone si basa generalmente sulla presenza contemporanea di due specie, una basica, atta a reagire con l' H+ eventualmente aggiunto e l'altra acida, atta, analogamente, a reagire con l'OH-. Naturalmente è anche necessario che queste due specie non si consumino a vicenda, neutralizzandosi. Queste condizioni vengono soddisfatte da coppie coniugate come HC2H3O2-C2H3O2- o NH4+ -NH3. La miscela tampone HC2H3O2-C2H3O2- si prepara aggiungendo alla soluzione dell'acido acetico, HC2H3O2, una certa quantità di acetato di sodio, NaC2H3O2. Analogamente, il tampone NH4+ -NH3 si prepara aggiungendo alla soluzione di ammoniaca una certa quantità di NH4Cl.

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Le due caratteristiche importanti di un tampone sono il pH e la capacità tamponante. Con quest'espressione si indica la quantità di acido o di base che il sistema è in grado di neutralizzare prima che il pH mostri una variazione apprezzabile. La capacità dipende dalle quantità dell'acido e della base che il sistema contiene, mentre il pH dipende sia dal pK della forma debole presente sia dal rapporto fra le concentrazione delle due forme coniugate.

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Consideriamo un tampone costituito da un acido debole, HX, e dal sale corrispondente, MX, in cui M potrebbe essere Na+, K+, e così via. L'equilibrio di ionizzazione dell'acido è: HX (aq) ←---→ H+(aq) + X- (aq), ad esso corrisponde la costante di ionizzazione: Ka = [H+][X-]/[HX]. Volgendo entrambi i membri dell'uguaglianza in logaritmo, avrai: log Ka = log [H+] + log [X-]/[HX] e moltiplicando per -1 otterrai: -logKa= -log[H+] - log [X-]/[HX]. Essendo -log Ka = pKa e -log[H+] = pH, otterrai pKa =pH - log [X-]/[HX] e pH = pKa + log [X-]/[HX] da tutto questo ottieni la formula generale ovvero: pH= pKa + log [base]/[acido]. Questa relazione, detta equazione di Henderson - Hasselbach, faciliterà molto i calcoli relativi alle soluzioni tampone.

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