Una soluzione tampone è una soluzione che non subisce variazioni significative di pH quando si aggiungono piccole quantità di acidi forti, basi forti o si diluisce.
Le soluzioni tampone possono essere costituite da:
- un'acido debole e la sua base coniugata → equivale a dire "un'acido debole e un suo sale"
- una base debole ed il suo acido coniugato → equivale a dire "una base debole e un suo sale"
Le caratteristiche di un sistema tampone
Per cercare di capire a cosa sono dovute le proprietà così interessanti di un sistema tampone, proviamo a calcolare il pH di una soluzione costituita da CH3COOH 0,75 M e CH3COONa 0,5 M.
Consideriamo l'espressione della costante di equilibrio dell'acido acetico:
Se la riarrangiamo in funzione di
Si ricava una relazione che può essere usata per calcolare il pH di una soluzione che contiene sia l'acido debole che la sua base coniugata
. Ovviamente però,
e
non sono le concentrazioni iniziali delle due specie, bensì le concentrazioni all'equilibrio!
Si possono però fare delle interessanti osservazioni:
Consideriamo l'equilibrio di dissociazione dell'acido acetico:
Abbiamo una concentrazione iniziale Ca di acido acetico pari a 0,75 M. La dissociazione dell'acido acetico, anche in condizioni normali, è molto modesta (Ka = 1,8 · 10-5). Questo vuol dire che per la maggior parte rimane come CH3COOH non dissociato. Questo è a maggior ragione vero se consideriamo che in soluzione c'è già lo ione CH3COO- proveniente da CH3COONa, che fa retrocedere l'equilibrio verso sinistra.
Possiamo quindi dire che:
Possiamo fare considerazioni del tutto simili per , concludendo che:
E' importante capire che questi due equilibri sono concatenati, ovvero devono essere sempre contemporaneamente soddisfatti. Le due specie agiscono l'una come ione a comune nell'equilibrio dell'altra, sospingendo indietro i rispettivi equilibri tanto che si possono considerare le rispettive concentrazioni all'equilibrio paragonabili a quelle iniziali.
Formula per il calcolo del pH di un tampone acido debole - base coniugata
Possiamo allora scrivere:
da cui:
che è la nota equazione di Henderson-Hasselbach.
Sostituendo i valori numerici del nostro esempio si ha:
Che è un valore piu' o meno intermedio tra quello di una soluzione solo del nostro acido acetico (0,75 M) e solo del nostro acetato (0,5 M).
Effetto tampone
Abbiamo detto che un tampone, entro certi limiti, è in grado di non subire significative variazioni di pH a seguito di diluizione o piccola aggiunta di acido/base forte.
Cerchiamo di capire come mai analizzando le relazioni che abbiamo appena scritto:
- Praticando una diluizione, diminuirebbero sia la concentrazione di acido Ca che la concentrazione di base coniugata, Cs . Il loro rapporto rimane circa costante, senza effetti rilevanti (a meno di grandi diluizioni), sul pH.
- Per capire cosa succede a seguito di una piccola aggiunga di acido o base forte, facciamo un esempio pratico. Supponiamo di aggiungere 1ml di HCl 0,1 M. HCl manda in soluzione ioni H+ , e l'unica specie che può reagire con H+ è CH3COO- , in una reazione di neutralizzazione.
la reazione di neutralizzazione si può considerare quantitativa. Questo vuol dire che 0,001 mol/L di CH3COO- sono distrutte a discapito di 0,001 mol/L di CH3COOH che si formano.
Dobbiamo rivedere allora le concentrazioni all'equilibrio delle due specie:
Calcolando il pH con questi nuovi valori
Questa piccola aggiunta di acido ha lasciato il pH sostanzialmente immutato. Avremmo ottenuto lo stesso risultato per aggiunta di una piccola quantità di base forte. Ad esempio, aggiungendo una piccola quantità di NaOH:
Una quota di sarebbe scomparsa contestualmente alla formazione della stessa quantità di
. Per il resto, i calcoli sono esattamente gli stessi che abbiamo visto nell'esempio precedente, ma a parti invertite.
