16.2: Buffer

Una soluzione contenente quantità apprezzabili di una debole coppia acido-base coniugata è chiamata soluzione tampone, o tampone. Le soluzioni tampone resistono alle variazioni di pH quando vengono aggiunte piccole quantità di un acido forte o di una base forte. Una soluzione di acido acetico e acetato di sodio è un esempio di tampone costituito da un acido debole e il suo sale: CH_3COOH (aq) + CH_3COONa (aq). Un esempio di tampone costituito da una base debole e dal suo sale è una soluzione di ammoniaca e cloruro di ammonio: NH_3 (aq) + NH_4Cl (aq).

Come funzionano i buffer

Per illustrare la funzione di una soluzione tampone, si consideri una miscela di quantità approssimativamente uguali di acido acetico e acetato di sodio. La presenza di una debole coppia acido-base coniugata nella soluzione conferisce la capacità di neutralizzare modeste quantità di acido o base forte aggiunti. Ad esempio, l’aggiunta di una base forte a questa soluzione neutralizzerà lo ione idronio e sposterà l’equilibrio di ionizzazione dell’acido acetico verso destra, ripristinando parzialmente la diminuita concentrazione di H_3O+:

Allo stesso modo, l'aggiunta di un acido forte a questa soluzione tampone neutralizzerà lo ione acetato, spostando verso destra l'equilibrio di ionizzazione di cui sopra e riportando [H_3O+] vicino al suo valore originale. La Figura 1 fornisce un'illustrazione grafica delle modifiche alla soluzione tampone quando vengono aggiunti acidi e basi forti. L'azione tampone della soluzione è essenzialmente il risultato della conversione dell'acido e della base forti aggiunti nell'acido e nella base deboli che costituiscono la coppia coniugata del tampone. L'acido e la base più deboli subiscono solo una leggera ionizzazione, rispetto alla ionizzazione completa dell'acido e della base forti. Il pH della soluzione, quindi, cambia molto meno drasticamente rispetto a una soluzione non tamponata.

Figure 1. Azione tampone in una miscela di acido acetico e sale acetato.

L'aggiunta di una piccola quantità di acido o di base ad una soluzione può causare una significativa diminuzione o aumento del pH. Tuttavia, molti processi chimici e biochimici richiedono un pH stabile per funzionare. I tamponi possono impedire un drastico cambiamento nel pH di una soluzione quando la loro capacità tampone non viene superata.

I tamponi contengono un acido debole e la sua base coniugata o una base debole e il suo acido coniugato. Per esempio, il sangue umano mantiene il suo pH intorno a 7, 4 con un tampone composto da acido carbonico, un acido debole, e ioni bicarbonato, la sua base coniugata. Le coppie coniugate acido-base formano tamponi poiché non neutralizzano il loro coniugato acido o base.

Per esempio, l'acido acetico e l'acetato non possono reagire. Tuttavia, se l'acido acetico, un acido debole, e l'ammoniaca, una base debole, vengono mescolati insieme, reagiranno per formare un sale l'acetato di ammonio. In un tampone, l'acido debole neutralizza qualsiasi base aggiunta, reagendo con gli ioni idrossido prodotti, mentre la sua base coniugata neutralizza qualsiasi acido aggiunto, reagendo con qualsiasi ione idronio.

Un meccanismo simile funziona nel caso di una base debole e del suo acido coniugato. Due becher, X e Y, contengono lo stesso volume di soluzioni diverse, ciascuna con un pH di 7, 2. La soluzione nel becher X non è tamponata.

D'altro canto, la soluzione nel becher Y contiene un tampone acido acetico-acetato. Se si aggiunge acido cloridrico al becher X, il pH della soluzione si abbassa improvvisamente a causa della maggiore concentrazione di ioni idronio. Al contrario, la soluzione nel bicchiere Y mostra un pH quasi costante quando viene aggiunto acido cloridrico, perché uno dei componenti tampone, l'acetato, reagisce con l'acido cloridrico per produrre uno ione cloruro e acido acetico.

Allo stesso modo, se si aggiunge idrossido di sodio al becher X, il pH della soluzione aumenterà improvvisamente a causa della maggior concentrazione di ioni idrossido. D'altra parte, la soluzione nel becher Y mostra una variazione minima del pH quando viene aggiunto idrossido di sodio, poiché uno dei componenti tampone, l'acido acetico, reagisce con l'idrossido di sodio e produce acetato di sodio e una molecola d'acqua. Il tampone può impedire un drastico cambiamento nel pH di una soluzione fintanto che la concentrazione della coppia coniugato acido-base in una soluzione è superiore all'acido o alla base forte aggiunti.