Esperienza 4: Preparazione di soluzioni tampone e verifica del potere tamponante

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1 Esperienza 4: Preparazione di soluzioni tampone e verifica del potere tamponante Soluzione tampone: soluzione il cui ph non varia in modo apprezzabile per piccole aggiunte di acidi o di basi. Inoltre, il ph di una soluzione tampone non varia quando viene diluita. Per ottenere una soluzione tampone, un acido debole e la sua base coniugata, oppure una base debole e il suo acido coniugato, devono essere contemporaneamentepresenti in soluzione, in equilibrio tra loro. Una soluzione tampone si può ottenere sciogliendo un acido e un suo sale, oppure una base e un suo sale.

2 Esempio: soluzione tampone di un acido debole e un suo sale HA + H 2 O A - + H 3 O + 2 H 2 O H 3 O + + OH - K a = [A - ] [H 3 O + ] [HA] Cosa succede per aggiunta di una piccola quantità di una qualsiasi base? La base sposta l equilibrio di idrolisi dell acqua, consumando H 3 O +. Allo stesso tempo, l equilibrio del tampone si sposta a destra, producendo H 3 O + e mantenendo il ph costante. Cosa succede per aggiunta di una piccola quantità di un qualsiasi acido? L acido aggiunto sposta l equilibrio di idrolisi del tampone verso sinistra, reagendo con la base coniugata e consumando H 3 O +. Il ph rimane comunque costante.

3 Calcolo del ph di una soluzione tampone i eq HA + H 2 O A - + H 3 O + C a C b -x +x +x C a -x C a C b C b +x x K a = [A - ] [H 3 O + ] [HA] HA è un acido debole, poco dissociato: x è piccolo rispetto a C a e C b. K a = C b [H 3 O + ] C a [H 3 O + C ] = a K a Cb Equazione di Henderson-Hasselback: ph = pk a + log Ca C b Per la massima efficienza del tampone, il pk a deve essere più vicino possibile al ph desiderato, in modo che il rapporto tra acido e base coniugati sia prossimo a 1.

4 Aggiunta di una base forte i HA + OH - C a C OH A - + H 2 O C b REAZIONE A COMPLETEZZA f C a -C OH - C b +C OH HA + H 2 O A - + H 3 O + eq C a -C OH 2 3 C b +C OH x REAZIONE ALL EQUILIBRIO [A K a = - ] [H 3 O + ] [HA] [H 3 O + (C ] = a -C OH ) K a C ph = pk (Cb +C OH ) a + log b +C OH Ca -C OH

5 Preparazione di un tampone 1) Soluzione di un acido debole e di un sale della sua base coniugata, in quantità (circa) equimolari. Esempio: H 2 CO 3 e NaHCO 3 (tampone carbonato-bicarbonato) NaHCO 3 Na + + HCO 3 - H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3- + H 3 O + 2) Soluzione di un acido debole e di una base forte, in rapporto di (circa) 2:1. Esempio: H 2 CO M e NaOH 0.1 M H 2 CO 3 + OH - HCO 3- + H 2 O H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3- + H 3 O + 3) Soluzione del sale di un acido debole e di una base forte, in rapporto di (circa) 2:1. Esempio: NaHCO M e HCl 0.1 M NaHCO 3 + H 3 O + Na + + H 2 CO 3 + H 2 O H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3- + H 3 O +

6 4) Soluzione di una base debole e di un sale del suo acido coniugato, in quantità (circa) equimolari. Esempio: NH 3 e NH 4 Cl (tampone ammoniacale) NH 4 Cl NH 4+ + Cl - NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH - 5) Soluzione di una base debole e di un acido forte, in rapporto di (circa) 2:1. Esempio: NH M e HCl 0.1M NH 3 + H 3 O + NH 4+ + H 2 O NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH - 6) Soluzione del sale di una base debole e di un acido forte, in rapporto di (circa) 2:1. Esempio: NH 4 Cl 0.2 M e NaOH 0.1 M NH 4 Cl + OH - NH 3 + Cl - + H 2 O NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH -

7 Esempio: Calcolare il ph di una soluzione tampone di acido acetico (CH 3 COOH) 0.15 M e acetato di sodio (CH 3 COONa) 0.20 M. Che variazione di ph di ottiene se a 200 ml di questa soluzione viene aggiunto 1.00 ml di acido cloridrico M? CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + K a = eq 0.15 M 0.20 M x ph = pk a + log C b Ca Aggiunta di acido cloridrico: CH 3 COO - + H 3 O + CH 3 COOH + H 2 O ph = log 0.20 M = M [HCl] f = [HCl] i V i = M 1.00 ml = M V t + V i ( ) ml REAZIONE DI NEUTRALIZZAZIONE eq CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + eq ( )M ( )M x ph = pk a + log C b Ca ph = 4.890

8 Quanto efficace è il tampone? Potere tamponante: efficienza del tampone nel mantenere costante il ph della soluzione, misurata come dc β= A = dph dc B dph Esempio: Calcolare il potere tamponante di un tampone acetato (CH 3 COOH/CH 3 COO - ) preparato nell esempio precedente. dc β= A dph Aggiunta di acido cloridrico: [HCl] f = M C a prima dell aggiunta: C a = 0.15 M C a dopo l aggiunta: C a = ( ) M dc A = M ph prima dell aggiunta: ph = ph dopo l aggiunta: ph = dph= β= M =

9 1. Preparazione dei reagenti Preparare 100 mldi una soluzione M di H 2 PO 4- a partire dal sale NaH 2 PO 4 H 2 O. Calcolare la concentrazione reale ottenuta. Preparare 100 mldi una soluzione M di HPO 4 2- a partire dal sale Na 2 HPO 4 2H 2 O. Calcolare la concentrazione reale ottenuta. In un beckerda 50 o 100 mlpreparare le seguenti soluzioni tampone, avendo cura che il volume totale sia sempre 50 ml:

10 2. Preparazione delle soluzioni tampone Soluzione Volume H 2 PO 4 - (ml) Volume HPO 4 2- (ml) Effetto del rapporto H 2 PO 4- /HPO 4 2- Volume H 2 O (ml) Effetto della concentrazione di H 2 PO 4- e HPO

11 3. Verifica del potere tamponante Per ogni soluzione registrare i volumi reali impiegati Misurare con ph-metro il ph reale della soluzione

12 ph-metro cavo coassiale elettrolita interno elettrolita interno fili di argento ricoperti di AgCl elettrolita esterno setto poroso membrana di vetro Elettrodo a vetro Misura della differenza di potenziale tra due elettrodi, uno dei quali (interno) è posto a contatto con la soluzione da misurare attraverso la membrana di vetro, mentre l altro viene utilizzato come riferimento (elettrodo esterno). Elettrodo interno: Filo di Ag, immerso in una soluzione di KCl, satura in AgCl, con un ph definito da un sistema tampone Elettrodo esterno: Filo di Ag, immerso in una soluzione di KCl, satura in AgCl Membrana di vetro: Vetro molto sottile, attraverso il quale si forma una differenza di potenziale causata dai gruppi carichi che si formano sul vetro

13 ph-metro OH Si Si OH O OH Si Si OH O Soluzione interna: ph costante OH Si OH Si O V E T R Si OH O Soluzione esterna: ph variabile BASICO ACIDO Si OH O - 2 +Soluzione OH Si Si OH O OH Si Si OH O - + 2

14 3. Verifica del potere tamponante Per ogni soluzione registrare i volumi reali impiegati Misurare con ph-metro il ph reale della soluzione Aggiungere 1.0 mldi soluzione di NaOH0.100 M con la pipetta graduata in dotazione, mescolare, e misurare di nuovo il ph della soluzione

15 3. Verifica del potere tamponante Soluzione Volume H 2 PO 4- (ml) Volume HPO 4 2- (ml) Effetto del rapporto H 2 PO 4- /HPO ph (prima dell aggiunta) ph (dopo l aggiunta) Riportare in modo chiaro i calcoli fatti nella relazione Effetto della concentrazione di H 2 PO 4- e HPO

16 4. Analisi dei dati Calcolare il potere tamponante reale di ciascuna soluzione Confrontare i risultati con quelli teorici sulla base del ph teorico per il tampone prima e dopo l aggiunta di 1.0 mldi NaOH M.

17 4. Analisi dei dati Qual è l effetto del rapporto C b /C a sul potere tamponante? Riportare in grafico i valori ottenuti dalle soluzioni sperimentali 2, 3 e 4 e confrontarli con quelli ottenuti per via teorica β LE SCALE DEI GRAFICI DEVONO ESSERE LINEARI!! C b /C a Qual è l effetto della concentrazione di tampone sul potere tamponante? Riportare in grafico i valori ottenuti dalle soluzioni sperimentali 3, 6 e 7 e confrontarli con quelli ottenuti per via teorica.