Una soluzione tampone è una soluzione che resiste alle variazioni di pH quando vengono aggiunte piccole quantità di acido forte o base forte. È formata da una coppia acido-base coniugata presente in quantità confrontabili, per esempio un acido debole \mathrm{HA} e la sua base coniugata \mathrm{A^-}.
Il meccanismo si basa sull’equilibrio:
Se si aggiunge acido, la base coniugata lo consuma:
Se si aggiunge base, l’acido debole la neutralizza:
Henderson-Hasselbalch
Per un tampone acido debole/base coniugata:
Quando [\mathrm{A^-}]=[\mathrm{HA}], il logaritmo vale zero e quindi:
Il tampone è più efficace quando il pH desiderato è vicino a \mathrm{p}K_a, in genere nell’intervallo:
Ruolo dello ione comune
La presenza simultanea di \mathrm{HA} e \mathrm{A^-} è un caso di effetto dello ione comune. La base coniugata \mathrm{A^-} limita la dissociazione dell’acido debole, mentre l’acido \mathrm{HA} fornisce una riserva capace di reagire con basi aggiunte.
| Aggiunta | Specie che reagisce | Esito |
|---|---|---|
| acido forte | \mathrm{A^-} | si forma \mathrm{HA} |
| base forte | \mathrm{HA} | si forma \mathrm{A^-} |
| diluizione moderata | entrambe | il rapporto cambia poco |
| aggiunta eccessiva | tampone esaurito | il pH varia rapidamente |
Capacità tampone
La capacità tampone misura quanta acidità o basicità può essere assorbita prima che il pH cambi in modo significativo. Per una coppia coniugata, cresce quando le concentrazioni totali sono maggiori e quando le due specie sono presenti in quantità simili.
In forma qualitativa:
Un tampone molto diluito può avere il pH corretto ma una capacità scarsa: basta poca aggiunta di acido o base per consumare una delle due componenti.
Esempi
| Sistema tampone | Coppia coniugata | Intervallo tipico |
|---|---|---|
| acetato | \mathrm{CH_3COOH/CH_3COO^-} | acido debole |
| ammoniaca/ammonio | \mathrm{NH_3/NH_4^+} | basico |
| fosfato | \mathrm{H_2PO_4^-/HPO_4^{2-}} | biologico e analitico |
| carbonato/bicarbonato | \mathrm{H_2CO_3/HCO_3^-} | acque naturali e sangue |
Errori comuni
- Applicare Henderson-Hasselbalch quando manca una delle due specie coniugate.
- Usare concentrazioni in molarità dopo una reazione stechiometrica senza aggiornare prima le moli.
- Pensare che un tampone mantenga il pH fisso qualunque sia l’aggiunta: oltre la capacità tampone il sistema si esaurisce.
- Scegliere un acido con \mathrm{p}K_a troppo lontano dal pH da controllare.
Vedi anche: Effetto dello ione comune, pH, Acidi e basi, Soluzioni tampone: esercizi svolti.