Allora miei cari, presa da un delirante masochismo, ho deciso oggi di parlarvi delle soluzioni tampone.
Questo meraviglioso argomento è uno dei più ostici ,tra le varie meraviglie, che ci propone la Chimica al test d’ingresso.
Non è tra i più frequenti, ma è quel classico esercizio, difficile, davanti al quale la maggior parte dei candidati scappa. Il mio obiettivo oggi è spiegarvi il principio che sta alla base di tali simpatiche soluzioni e fornirvi gli strumenti per poter svolgere la maggior parte di questi esercizi.
Cosa sono le soluzioni tampone?
Si tratta di soluzioni particolari in cui il pH, con aggiunte moderate di acidi o basi, non subisce variazioni significative. All’interno del nostro corpo ne esistono numerose e hanno il compito di impedire danni a processi biochimici fondamentali.
Come sono fatte?
Le soluzioni tampone sono di due diversi tipi:
- Acido debole + base coniugata (sale dell’acido debole)
- Base debole + acido coniugato (sale della base debole)
Prendiamo ad esempio la prima soluzione e supponiamo che sia composta da acido acetico, CH3COOH (acido debole) e acetato di sodio, CH3COONa (sale dell’acido). In questo caso all’interno della nostra soluzione avverranno in contemporanea due reazioni:
- CH3COOH + H2O ⇆ CH3COO– + H3O+ [la reazione si DISSOCIA PARZIALMENTE]
- CH3COONa → CH3COO– + Na+ [la reazione si DISSOCIA TOTALMENTE]
L’effetto tampone è dato dalla concentrazione grande e soprattutto simile dei due composti evidenziati.CH3COOH
Aggiunta di acidi e basi
- Se aggiungo un acido forte aumenta la concentrazione di H3O+ e la reazione A si sposta verso sinistra, verso la produzione di reagenti
- Se aggiungo una base forte gli OH– liberati dalla base neutralizzano gli ioni H3O+ e la reazione A procede verso destra fino a quando non si ristabilisce l’equilibrio
Calcoli
In una soluzione tampone si può andare a calcolare:
La concentrazione di H+
[H+] = Ka * Ca/Cs
Dove Ca indica la concentrazione dell’acido, Cs quella del sale e Ka la costante di dissociazione.
Se l’acido e il sale sono contenuti nella stessa soluzione, le due concentrazioni possono essere sostituite con il numero di moli dei corrispettivi.
[H+] = Ka * Na/Ns
Dove Na indica le moli di acido e Ns le moli di sale.
Il Ph
Il pH di una soluzione tampone si calcola utilizzando l’equazione di Henderson-Hasselbalch:
pH = pKa + log10[A–]/[HA]
Dove pKa rappresenta –log Ka
[A–] rappresenta la concentrazione di CH3COO– nel caso preso da esempio
[HA] quella di CH3COOH.
Questa equazione può anche essere presentata in modo semplificato:
pH = pKa + log10[sale]/[acido]
ESERCIZIO 1
0,5L di una soluzione tampone contiene 0,1 M di $CH_3COOH$ e 0,05 M di $CH_3COONa$. La $pK_a$ è 4,75 e il suo pH è 4,45. Calcolare il pH dopo aver aggiunto 8 ml di HCl a 1M.
- 4,75 + log10 0,033M/114M
- 4,45 + nuovo pH
- 4,75 + log100 0,5/0,1
- 4,35
- 4,29
Come prima cosa bisogna calcolare le moli di CH3COOH e CH3COONa prima dell’aggiunta dell’acido:
CH3COOH → 0,5 L * 0,1 M = 0,05 mol
CH3COONa → 0,5 L * 0,05 M = 0,025 mol
Gli 8 ml (0,008 L) di HCl che vengono aggiunti dissociano X moli di H+.
H+ → 0,008 L * 1 M = 0,008 mol
Queste moli reagiscono con CH3COO– per formare CH3COOH e vanno inserite nel calcolo delle nuove concentrazioni insieme alla variazione di volume:
Risposta corretta A.
ESERCIZIO 2
Una soluzione contiene al suo interno acido acetico e acetato di sodio in uguali concentrazioni. Sapendo che la pKa di tale soluzione è 4,75, calcolare il pOH.
- Non è possibile calcolare il pOH senza sapere le moli delle due sostanze
- Non è possibile calcolare il pOH senza sapere le moli delle due sostanze e il volume della soluzione
- 4,75
- impossibile perché logaritmo di 1 non esiste
- 9,25
Il problema ci dice che la soluzione contiene al suo interno le due sostanze, questo ci indica che ai fini del nostro esercizio il volume non è necessario. (risposta B. errata)
Ragionando sugli altri dati forniti sappiamo che:
[CH3COOH] = [CH3COONa] = X.
Inseriamo X all’interno dell’equazione di Henderson-Hasselbach:
pH = pKa + log₁₀[Xsale]/[Xacido]
X/X = 1 → log10 1 = 0 (risposta D errata)
Abbiamo visto quindi che quando le concentrazioni delle due sostanze componenti il tampone sono uguali, il loro rapporto è 1 e di conseguenza pH = pKa.
In questo modo non diventa fondamentale sapere il numero di moli delle due sostanze. (risposta A. errata)
pH = 4,74 → pOH = 14 – 4,75 = 9,25
Risposta corretta E.
