Soluzioni tampone. Se ad un litro di acqua pura (ph=7) vengono aggiunte 0,01 moli di HCl il ph varia da 7 a 2 (ph=-log(0,01) =2,0), ovvero di 5 unità.

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1 Soluzioni tampone Se ad un litro di acqua pura (ph=7) vengono aggiunte 0,01 moli di HCl il ph varia da 7 a 2 (ph=-log(0,01) =2,0), ovvero di 5 unità. Un tampone è una soluzione che varia in maniera trascurabile il proprio ph in seguito all aggiunta di quantità moderate di un acido o di una base forte. Ad esempio, l aggiunta di 0,01 mol di HCl ad un litro di soluzione tampone può far variare il ph di circa 0,1 unità. Il sangue è una tipica soluzione tampone con un ph di circa 7,4. la sua funzione di trasportatore di ossigeno risulterebbe compromessa se tale valore dovesse variare.

2 Come è fatto un tampone? In una soluzione tampone è necessaria la presenza simultanea di due specie una (un acido) capace di reagire con gli ioni idrossido e l altra (una base) capace di neutralizzare gli ioni idronio. Un requisito fondamentale è che le due specie tampone, l acido e la base, non devono reagire tra di loro, per cui un tampone è costituito da quantità approssimativamente uguali di una coppia coniugata acido-base: a)una base debole (B) ed il suo acido coniugato (BH + ), come ammoniaca (NH 3 ) e ione ammonio (NH 4+ ). b)un acido debole (HA) e la sua base coniugata (A - ), come acido acetico (CH 3 COOH) e ione acetato (CH 3 COO - ).

3 Come funziona un tampone? Consideriamo un tampone costituto da HCN e dalla sua base coniugata CN -. Se aggiungiamo una base forte al tampone, cioè ioni OH -, la specie acida, cioè HCN, reagirà con tali ioni idrossido neutralizzandoli, secondo la reazione: HCN + OH - CN - + H 2 O Se aggiungiamo un acido forte, che libera quindi ioni H 3 O +, questi reagiscono con la specie basica, cioè CN -, secondo la reazione: CN - + H 3 O + HCN + H 2 O Come si puù notare, le reazioni su cui si basa una soluzione tampone sono fortemente spostate verso I prodotti, dal momento che le specie forti sono sempre I reagenti.

4 Un altro esempio è il tampone acido acetico/acetato: L acido acetico reagisce con ogni ioni idrossido aggiunti. La reazione è completamente spostata a destra; ciò significa che ogni ione idrossido aggiunto dall esterno viene completamente consumato CH 3 COOH + OH - CH 3 COO - + H 2 O In modo simile, ogni ione idronio aggiunto dall esterno reagisce con lo ione acetato presente nel tampone e viene completamente consumato CH 3 COO - + H 3 O + CH 3 COOH + H 2 O

5 Un tampone funziona bene fino a quando le quantità di acido o base forte aggiunti rimangono inferiori alle quantità di acido e base coniugata presenti. A questo proposito si parla di potere tampone intendendo la quantità (numero di moli) di acido o di base con cui il tampone può reagire prima che si produca una variazione significativa di ph. È importante il rapporto fra le quantità di acido e di base coniugata presenti nel tampone. Queste devono essere paragonabili (il rapporto deve essere circa 1 e può differire al massimo per un fattore 10) affinchè la soluzione non perda il suo potere tampone.

6 Come si calcola il ph di una soluzione tampone Consideriamo un tampone costituto da HCN di cui conosciamo la Ka a concentrazione Ca e dalla sua base coniugata CN - a concentrazione Cb. Gli equilibri coinvolti sono: HCN + H 2 O CN - + H 3 O + CN - + H 2 O HCN + OH - CONCENTRAZIONI HCN CN - H 3 O + INIZIALE Ca Cb - EQUILIBRIO Ca-x+y Cb+x-y x K a + - [H 3 O ][CN ] = [HCN] Considerando che gli equilibri presenti in soluzione sono tutti spostati verso I reagenti, le quantità x e y possono essere trascurate.

7 CONCENTRAZIONI HCN CN - H 3 O + INIZIALE Ca Cb - EQUILIBRIO Ca Cb x K a + [H 3 O ][CN ] [HCN] - = Ka= [H 3 O + ] x Cb Ca Ka x Ca [H 3 O + ] = Cb ph = - log [H 3 O + ] = -log Ka x Ca Cb

8 Metodi di preparazione di un tampone Un tampone è sempre costituito da un acido debole HA e la sua base coniugata A- oppure da una base debole B e il suo acido coniugato BH +. In pratica può essere preparato in vari modi:

9 Spesso il problema è preparare una soluzione tampone che abbia un particolare ph. Considerando che il potere tampone di una soluzione è massimo quando la concentrazione della base è paragonabile con quella dell acido, una tale situazione si realizza quando il pk a della coppia acido-base coniugata che si sceglie è vicino al ph voluto, aggiustando poi il corretto rapporto tra [base] e [acido]. Per calcolare il corretto rapporto di acido e base corrispondente al ph desiderato si usa l equazione di Handerson-Hasselbach, TAMPONI ACIDI E TAMPONI BASICI Se K a > 10-7, il sistema tampone agisce in ambiente acido Se K a <10-7, il sistema tampone agisce in ambiente basico

10 Ad esempio, se vogliamo un tampone con ph=4,9 possiamo selezionare un acido debole con pk a più vicino possibile a tale valore: Il valore di 4,9 si ottiene poi cambiando il rapporto tra acido acetico e acetato.

11

12 SOLUZIONI TAMPONE Aggiunta di acidi e basi a tamponi. Es:Aggiunta di 0.02 moli di HCl al tampone acido acetico (0,10M)/ acetato (0,02M) CONCENTRAZIONI CH 3 COO - H + CH 3 COOH INIZIALE 0,10M 0,02 M 0,10 M VARIAZ - 0,02-0,02 + 0,02 FINALE 0,08 M - 0,120 M

13 K a [H 3 O ][CN ] = [HCN] CONCENTRAZIONI CH 3 COO - H + CH 3 COOH INIZIALE 0,10M 0,02 M 0,10 M VARIAZ - 0,02-0,02 + 0,02 FINALE 0,08 M - 0,120 M + - [H 3 O + ] x Cb Ka= Ca Ka x Ca [H 3 O + ] = ph = - log [H 3 O + ] = -log Cb Ka x Ca Cb ph = - log Ka x Ca Cb 1,8 x 10-5 x 0,12 = -log = 4,56 0,08

14 la stessa aggiunta di 0,02 moli di HCl in acqua pura (ph 7) avrebbe portato il ph a 1,7 (-log 10 0,02) con una variazione di ph di 5,3

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