16.5: Efficacia del buffer

Le soluzioni buffer non hanno una capacità illimitata di mantenere il pH relativamente costante. Pertanto, la capacità di una soluzione buffer di resistere alle variazioni di pH si basa sulla presenza di quantità apprezzabili della sua debole coppia acido-base coniugata. Quando si aggiunge una quantità di acido o base abbastanza forte da abbassare sostanzialmente la concentrazione di uno dei due membri della coppia buffer, l'azione buffer all'interno della soluzione viene compromessa.

La capacità buffer è la quantità di acido o base che può essere aggiunta a un dato volume di una soluzione buffer prima che il pH cambi in modo significativo, solitamente di un'unità. La capacità buffer dipende dalla quantità di acido debole e della sua base coniugata presenti nella miscela buffer. Ad esempio, 1 L di una soluzione composta da 1,0 M in acido acetico e 1,0 M in acetato di sodio ha una capacità buffer maggiore di 1 L di una soluzione composta da 0,10 M in acido acetico e 0,10 M in acetato di sodio, anche se entrambe le soluzioni hanno lo stesso pH. La prima soluzione ha una maggiore capacità buffer perché contiene più acido acetico e ioni acetato.

Selezione delle miscele buffer adatte

Esistono due regole pratiche utili per la selezione delle miscele buffer:

1. Una buona miscela buffer dovrebbe avere concentrazioni quasi uguali di entrambi i suoi componenti. Una soluzione buffer generalmente perde la sua utilità quando un componente della coppia buffer è inferiore a circa il 10% dell'altro.
2. Gli acidi deboli e i loro sali sono migliori come tamponi per pH inferiori a 7; le basi deboli e i loro sali sono migliori come tamponi per pH superiori a 7.

Il sangue è un importante esempio di soluzione tamponata, in cui l'acido principale e lo ione responsabile dell'azione buffer sono l'acido carbonico, H_2CO_3, e lo ione bicarbonato, HCO_3^−. Quando uno ione idronio viene introdotto nel flusso sanguigno, viene rimosso principalmente dalla reazione:

Uno ione idrossido aggiunto viene rimosso dalla reazione:

L'acido o la base forte aggiunti vengono quindi effettivamente convertiti nell'acido o nella base molto più deboli della coppia buffer (H_3O^+ viene convertito in H_2CO3 e OH^− viene convertito in HCO_3^−). Il pH del sangue umano rimane quindi molto vicino al valore determinato dalla coppia buffer pK_a, in questo caso 7,35. Le normali variazioni del pH del sangue sono generalmente inferiori a 0,1 e variazioni del pH pari o superiori a 0,4 possono essere fatali.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 14.6: Buffers.

L'efficacia di qualsiasi tampone nel resistere al cambiamento di pH dipende dal rapporto tra le concentrazioni dell'acido debole e della sua base coniugata, o della base debole e del suo acido coniugato, nonché dalle loro concentrazioni assolute. L'intervallo del tampone è l'intervallo di pH che inibisce un aumento o una diminuzione significativa del pH, dopo l'aggiunta di un acido o di una base. L'intervallo è di un'unità superiore o inferiore al pKa.

Pertanto, per essere un tampone efficace, il rapporto fra acido debole e base, o fra base debole e acido dovrebbe essere fra 10 e 1 e fra 1 e 10. L'equazione di Henderson-Hasselbalch può essere risolta per supportare questi valori. Se la concentrazione dell'acido è dieci volte quella della base, il pH sarà 1 unità inferiore al pKa.

Tuttavia, se la concentrazione della base è dieci volte quella dell'acido, il pH sarà 1 unità in più rispetto al pKa. Un tampone è più efficace nel mezzo del suo intervallo di tampone, quando la concentrazione dell'acido debole e della base coniugata sono uguali, e il pH è uguale al pKa. Quando la differenza fra le quantità di acido debole e di base aumenta, il tampone diviene meno efficace.

Pertanto, il tampone A, contenente acido acetico e acetato ciascuno 1 molare, sarà più efficace del tampone B, contenente acido acetico 0, 1 molare e acetato 1 molare. La concentrazione assoluta di un acido debole e della base determina anche l'efficacia del tampone. Maggiore è la concentrazione dell'acido e della base deboli, più acido o base forte può neutralizzare.

Pertanto, un tampone con acido formico e formiato ciascuno 1 molare è più efficace di un tampone 0, 1 molare ciascuno. La capacità del tampone è la quantità di un acido o di una base forte che un tampone può neutralizzare prima di un cambiamento significativo nel suo pH. Pertanto, la capacità del tampone aumenta sia con concentrazioni più elevate di un acido debole e della sua base coniugata, sia quando il rapporto fra un acido debole e la base si avvicina a uno.