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Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
Soluzioni Tampone
Si definiscono soluzioni tampone quelle soluzioni in grado di mantenere pressoché costante il proprio pH per aggiunta di una ragionevole quantità di acido o di base forte o per moderata diluizione, perché contengono un opportuno sistema acido-base che si oppone alle variazioni di pH.
Calcolo del pH delle soluzioni tampone
Sia una soluzione tampone costituita da HA (acido debole = Ca) + A- (suo sale = Cs)
Ca; HA ⇌ H+ + A-
Cs; NaA → Na+ + A-
A- + H2O ⇌ HA + OH-
[Na+] = Cs
dalla 3. → [A-] = Cs + [H+] - [OH-] = Cs + [H+] - Kw / [H+]
sostituzione in 4. → [HA] = Ca + Cs – Cs + Kw / [H+] - [H+] = Ca – [H+]+ Kw / [H+]
e la 1. diventa:
;
I approssimazione:
[OH-] << [H+]; → ;
II approssimazione:
[H+] << Cs; e [H+] << Ca; →
; ; ;
Henderson-Hasselbach
in modo analogo:
B (base debole = Cb) + BH+ (suo acido coniugato = Cs)
dove è la costante di dissociazione acida dell’acido debole (BH+)
HA (acido debole =Ca) / A- (suo sale= Cs)
Ca; HA ⇌ H+ + A-
Cs; NaA → Na+ + A-
A- + H2O ⇌ HA + OH-
il bilancio protonico si ricava sostituendo il bilancio di massa (4) nel bilancio di carica (3), quindi dalla (4):
Cs = [HA] + [A-] – Ca = [Na+], che introdotta nella (3):
[HA] + [A-] – Ca + [H+] = [OH-] + [A-]
sostituisco [HA] ricavato dalla (4) in (5) e ottengo una forma equivalente di bilancio protonico:
Ca + Cs - [A-] + [H+] = Ca + [OH-]
Cs + [H+] = [A-] + [OH-] bilancio protonico
NB: le approssimazioni sono valide se attraverso “la circonferenza – il buco” non vedo [H+] e [OH-] (raggio 2 unità di pH, centro nel punto sistema), approssimazione 100 volte
Il pH della soluzione tampone è dato dall’’intersezione tra la retta – log Cs e la curva – log [A-], quest’ultima calcolata per una concentrazione pari a C0 = Ca + Cs ; inoltre note C0 e Ka è possibile ricavare Cs per ottenere un determinato pH
HA ⇌ A- + H+ Ca 0,06M
NaA → A- + Na+ Cs 0,04M
C0 = Ca + Cs = 0,1M = [HA] + [A-]
bilancio protonico:Cs + [H+] = [A-] + [OH-]
pH
intersezione tra log Cs e log [A-]
C0 = 0,1; pKa = 5
Cs = 0,04 → = log-1,4; pH = 4,82
per avere un dato pH
noto che C0 = Ca + Cs
C0 = 0,1; pKa = 5; pH = 5,6
log Cs = -1,1 (ricavato graficamente); Cs≃ 0,08
Ca = ? ; C0 – Cs = Ca; 0,1 – 0,08 = 0,02
Potere tamponante
Descrive la bontà della soluzione tampone nei confronti delle sue 2 proprietà:
L’equazione approssimata è applicabile soltanto se [H+] e [OH-] sono trascurabili rispetto Ca e Cs; in caso contrario si utilizza l’equazione esatta:
È necessario valutare quindi l’entità di Ca e Cs affinché l’approssimazione sia valida, ovviamente la Ka ha un effetto determinante sulla [H+]. Nell’ipotesi che [OH-] << Ca e [OH-] << Cs l’equazione* diventa:
si ricava Cs per un rapporto Ca / Cs = costante (es. Ca = Cs)
È quindi possibile costruire un grafico in cui –log Cs viene calcolato assumendo diversi valori di [H+] (in ordinate → pH; in ascisse → -log Cs).
C
A
B
Cs = Ca
Si nota che il pH non varia per diluizione nel primo tratto, lineare (A), aumenta all’aumentare della diluizione, (B) tratto ripido, raggiungendo asintoticamente il valore massimo pH = 7 (C).
Ma è più utile calcolare il pH in funzione di Cs e Ka
Le equazioni utilizzate sono:
tratto (A)
; ma Cs = Ca → pH = pKa
tratto (B)
dalla si ricava , ma Cs = Ca; ; →
tratto (C) → ….(come in B) + 10-7 (dall’acqua)
Il valore di Ka, determinando l’entità della dissociazione e quindi della [H+], influisce notevolmente sulla curva. In particolare, all’aumentare della Ka (aumentando la [H+]) diminuisce l’intervallo di Cs in cui è applicabile l’equazione descritta in (A):
Più l’acido è debole, più il pH è spostato verso l’alto, si ha una diminuzione della variazione del pH al punto di equivalenza.
Costruzione della curva
Una misura del potere tamponante è data dalla quantità di acido forte o base forte richiesta per cambiare il pH della soluzione di una certa quantità: più grande è l’aggiunta migliore è il tampone.
Si definisce pertanto il potere tamponante come:
quantità di acido forte o base forte che aggiunta ad 1L di soluzione fa variare il pH di 1 unità
L’aggiunta di base forte fa aumentare la [A-] di dCs a spese dell’acido
Se si utilizza il bilancio di carica [Na+] + [H+] = [OH-] + [A-]; (Cs = [Na+]):
dalla legge dell’azione di massa: ; dal bilancio di massa:
quindi: , ,
per sostituzione nel bilancio di carica:
sostituendo in : ,
ma ;
sostituendo in *:
Differenziando rispetto [H+], con Kw, Ka e C0 costanti:
↓ ↓
effetto tampone di H2O effetto tampone di HA e A-
L’ andamento di β in funzione del pH riportato in grafico è:
Ka = 10-5; C0 = 10-1, Kw = 10-14
[HA] = C0
β [OH-]
β [H+]
[NaA] = C0
β HA, A-
pKa ([HA] = [A-]); quindi e, β è massimo quando [HA] = [A-]
Alla stessa conclusione si arriva per via matematica: la funzione β ha un massimo quando la derivata prima si annulla:
ciò si verifica quando [H+] = Ka, cioè [HA] = [A-] ed il potere tamponante vale:
Tamponi Unilaterali e Tamponi Bilaterali
Si definiscono Tamponi Unilaterali quelle sostanze che sono capaci di contenere entro limiti ristretti le variazioni di pH che potrebbero esser provocate da basi forti o acidi forti aggiunti.
Si definiscono Tamponi Bilaterali le sostanze o miscele di sostanze che sono capaci di contenere entro limiti più o meno ristretti le variazioni di pH che potrebbero provocare sia basi forti e sia acidi forti aggiunti al sistema.
Tamponi Unilaterali |
Tamponi Bilaterali più utilizzati in chimica analitica |
SALI derivati da:
tamponano le basi forti convertendole in basi deboli (NH4OH) o in precipitati Al(OH)3
tamponano gli acidi forti convertendole in acidi deboli (H2CO3; CH3COOH)
|
SALI derivati da:
SOLUZIONI derivate da: Acido debole/ sale (CH3COOH/CH3COONa) Base debole/ suo sale (NH4OH/NH4Cl) |
Scelta del tampone
si sceglie un sistema acido-base che abbia un suo indice tampone massimo in corrispondenza od in prossimità del pH desiderato; le specie molecolari o ioniche che formano il tampone non devono reagire con le altre specie cui vengono in contatto e la concentrazione del tampone va scelta in modo che il tampone si opponga validamente alle variazioni di pH indotte dalle reazioni, in modo da delimitarne le variazioni entro 0,1; 0,2 unità di pH
tampone |
pH del tampone |
campo di attività del tampone (valori limite del pH) |
CH3COOH-CH3COONa |
≃ 4,75 Ca = Cs |
tampone bilaterale pH = 3-9 |
NH4OH-NH4Cl |
≃ 9,25 Cb = Cs |
tampone bilaterale pH = 5-11 |
CH3COONH4 |
≃ 7 |
tampone bilaterale pH = 3-11 |
(NH4)2CO3 |
≃ 9,7 |
tampone bilaterale pH = 4-11 |
NaHCO3 |
≃ 8,3 |
tampone bilaterale pH = 4-11,5 |
NaHCO3-Na2CO3 |
≃ 10,2 HCO-3 = CO2-3 |
tampone bilaterale pH= 8,3-11,5 |
NaH2PO4 |
≃ 4,6 |
tampone bilaterale pH = 2-9 |
Na2HPO4 |
≃ 9 |
tampone bilaterale pH = 4,6-13 |
NaH2PO4- Na2HPO4 |
≃ 7,2 |
tampone bilaterale pH = 4,6-9 |
Na2CO3 |
≃ 11,5 |
tampone unilaterale pH = 4-11,5 |
CH3COONa |
≃ 9 |
tampone unilaterale pH = 3-9 |
Tamponi fisiologici
Il pH del sangue di un individuo sano è pressoché costante, 7,35-7,45 perché il sangue stesso contiene un certo numero di tamponi che lo proteggono dal cambiamento di pH, dovuto alla produzione di metaboliti basici o acidi (in maggior quantità), il principale è la CO2
la CO2 è tamponata nell’organismo da:
- le proteine sono agenti tamponanti, perché contengono gruppi carbossilici (acidi deboli) ed amminici (basi deboli). Il potere tamponante combinato di tutti questi sistemi è chiamato dai medici riserva alcalina.
Alcune malattie metaboliche causano un’alterazione nell’equilibrio acido base dell’organismo. Un’importante analisi diagnostica è costituita dal rapporto CO2/HCO3- nel sangue, in questo caso l’equazione di Henderson-Hasselbach diventa:
a questa T la concentrazione del bicarbonato e quella della CO2 sono normalmente:
Il sistema HCO-3 / H2CO3 è il più importante tampone del sangue presente nel polmone (sangue alveolare), l’ossigeno inalato nel polmone si combina con l’emoglobina, che così ossigenata ionizza, e trasformandosi rilascia un protone. Questo viene rimosso perché reagisce con il bicarbonato:
HCO3- + H+⇌ H2CO3
Il normale rapporto HCO-3 / H2CO3 a pH 7,4 è 26 : 1,3, cioè 1 : 20.
Dato però che grandi quantità di HCO-3 sono trasformate in H2CO3, questo rapporto non potrebbe esser mantenuto nel tampone; l’enzima decarbossilasi trasforma H2CO3 in CO2, e così il rapporto rimane costante (1 : 20); la CO2 che si forma è quella espirata attraverso i polmoni.
Fonte: http://moodle2.units.it/pluginfile.php/72191/mod_resource/content/1/soluzioni%20tampone.docx
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