Le soluzioni tampone - ZyXEL NSA210

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?
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
pH ≈ pKa
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
HA + H2O A- + H3O+
Acido1 Base2 Base1 Acido2
p KA = −log
KA
[ ]
Aggiunta di acido Tende ad aumentare [H 3 O + ]
A - neutralizza l’aggiunta dell’Acido
A + H O → HA + H O
- +
3 2
A - viene consumato; HA prodotto
⎡HA ⎤ 1
K =
⎣ ⎦
= ≫1
−
+
⎡
⎣A ⎤
⎦
⎡
⎣H K
3O
⎤
⎦ A
HA A −
≈ ⎡
⎣
⎤
⎦
K
A
⎡
⎣A ⎤
⎦
⎡
⎣
⎤
⎦
−
H = KA + log
HA
p p
−
+
⎡A ⎤ ⎡H3O ⎤
=
⎣ ⎦ ⎣ ⎦
⎡
⎣HA ⎤
⎦
Aggiunta di base Tende ad aumentare [OH - ]
HA neutralizza l’aggiunta della Base
− −
HA + OH → A + H O
HA viene consumato; A - prodotto
−
⎡A ⎤ K A
K =
⎣ ⎦
= ≫1
-
⎡
⎣HA ⎤
⎦
⎡
⎣OH ⎤
⎦
KW
Deboli aggiunte di acidi (generano H 3 O + 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!
2

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?
La scelta del sistema tampone: fissiamo il livello
pH ≈ pKa
Si prende un acido debole il cui pK a sia il più prossimo possibile al pH che deve
garantire la soluzione tampone.
La scelta della quantità di acido e base
−
⎡
⎣HA ⎤
⎦ + ⎡
⎣A ⎤
⎦
= ctot
Si deve valutare la quantità di acido e di base che il nostro tampone dovrebbe
essere in grado di neutralizzare.

Le due condizioni permettono di definire in maniera univoca la modalità per
preparare la soluzione tampone dalle proprietà desiderate
(due equazioni per due incognite)
-
⎡ ⎤
⎣A ⎦
= 10
[ HA]
(pH-pKa)
⎡
⎣
⎤
⎦
⎡
⎣
⎤
⎦
-
A + HA = ctot
Come procedo per preparare la soluzione tampone
Per via diretta
m = ⎡
⎣HA ⎤
⎦iVsoluzione iM
HA HA
M =
massa molare di HA
HA
−
m = ⎡
⎣A ⎤
⎦iVsoluzione iM
− −
A A
A M −
= massa molare di A
Metto nel bicchiere le rispettive masse di acido e base e poi aggiungo acqua fino ad
ottenere il volume desiderato di soluzione.
−

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).
Aggiunta di acido Tende ad aumentare [H 3 O + ]
A - neutralizza l’aggiunta dell’Acido
A + H O → HA + H O
- +
3 2
A - viene consumato; HA prodotto
⎡HA ⎤ 1
K =
⎣ ⎦
= ≫1
−
+
⎡
⎣A ⎤
⎦
⎡
⎣H K
3O
⎤
⎦ A
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 pHmetro
indica il pH desiderato.
Aggiunta di base Tende ad aumentare [OH - ]
HA neutralizza l’aggiunta della Base
− −
HA + OH → A + H O
HA viene consumato; A - prodotto
−
⎡A ⎤ K A
K =
⎣ ⎦
= ≫1
-
⎡
⎣HA ⎤
⎦
⎡
⎣OH ⎤
⎦
KW
2

Come si procede praticamente …
Utilizzo di ricette riportate su appositi manuali
(Handbook of Chemistry and Physics, 2007)
Esercizio
Preparare 500 dm 3 soluzione tampone 10 mM a pH 4,65

Algebra 1 …
All’equilibrio:
−
HA ←⎯→ ⎯ A + H
μ = μ + μ
HA −
A H
Considerando condizioni di p e T standard, consideriamo solo la dipendenza
del potenziale chimico dalla concentrazione
−
[ ] −
+
μ + μ log HA = μ + μ log ⎡A ⎤ + μ + μ log ⎡H ⎤
0 0 0 +
HA d eq A d ⎣ ⎦eq H d ⎣ ⎦eq
μ μ μ μ ⎡
⎣
⎤
⎦ μ ⎡
⎣
⎤
⎦ μ
K
+
+
[ ]
0 0 0 −
+
HA − − − + = log A + log H − log HA
A H
A
d
eq
d
eq
d eq
0 0 0 0
μ μ − μ + μ
HA A H
[ HA]
− +
⎡A ⎤ ⎡H ⎤
eq eq
− − −Δ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦
= = log
μ μ
⎡
⎣A ⎤
⎦
⎡
⎣H ⎤
⎦
= = 10
[ HA]
d d eq
− +
0
−Δμ
eq eq μ
eq
Algebra 2 … − +
d
HA ←⎯→ ⎯ A + H
K A
Numero di equilibrio
(impropriamente costante di equilibrio)
− +
⎡
⎣A ⎤
⎦
⎡
⎣H ⎤
=
⎦
[ HA]
− + −
⎡A ⎤ ⎡H ⎤ ⎡A ⎤
+
log K A = log
⎣ ⎦ ⎣ ⎦
= log
⎣ ⎦
+ log ⎡
⎣H ⎤
⎦
−
⎡
⎣A ⎤
⎦
[ HA] [ HA]
⎡ ⎤
−
⎡A ⎤
pK = − log
⎣ ⎦
+ pH
+
− log K A = −log − log H
[ HA]
⎣ ⎦ A
[ HA]
−
⎡A ⎤
pH = pK A + log
⎣ ⎦ Equazione di Henderson- Hasselbach
HA
[ ]