Tampoane: Caracteristici, pregătire și exemple
Soluțiile tampon sunt cele care pot scădea modificările de pH din cauza ionilor de H3O + și OH-. În absența acestora, unele sisteme (cum ar fi fiziologice) sunt afectate, deoarece componentele lor sunt foarte sensibile la schimbările bruște ale pH-ului.
Așa cum amortizoarele din mașini diminuează impactul cauzat de mișcarea lor, tampoanele fac același lucru, dar cu aciditatea sau bazicitatea soluției. Mai mult decât atât, soluțiile tampon stabilesc un domeniu de pH specific în care acestea sunt eficiente.
În caz contrar, ionii de H3O + vor acidifica soluția (pH-ul scade la valori mai mici de 6), rezultând o posibilă modificare a performanței reacției. Același exemplu se poate aplica pentru valorile pH-ului de bază, adică mai mare de 7.
caracteristici
compoziție
În esență, ele sunt compuse dintr-o bază acidă (HA) sau o bază slabă (B) și săruri ale conjugatelor sale de bază sau de acizi. În consecință, există două tipuri: tampoane acide și tampoane alcaline.
Tampoanele acide corespund perechii HA / A-, unde A- este baza conjugată a acidului slab HA și interacționează cu ioni - ca Na + - pentru a forma săruri de sodiu. Astfel, perechea rămâne ca HA / NaA, deși pot fi și săruri de potasiu sau calciu.
Atunci când derivă din HA slab de acid, acesta distruge domeniile pH-ului acid (mai puțin de 7) în conformitate cu următoarea ecuație:
HA + OH- => A- + H20
Cu toate acestea, fiind un acid slab, baza sa conjugată este parțial hidrolizată pentru a regenera o parte a HA consumată:
A- + H2O HA + OH-
Pe de altă parte, tampoanele alcaline constau în perechea B / HB +, unde HB + este acidul conjugat al bazei slabe. În general, HB + formează săruri cu ioni de clor, lăsând perechea ca B / HBCl. Aceste tampoane tamponiază valorile pH-ului de bază (mai mari de 7):
B + H3O + => HB + + H20
Și, din nou, HB + poate hidroliza parțial pentru a regenera o parte din consumul de B:
HB + + H2O + H3O +
Neutralizează atât acizii cât și bazele
Deși tampoanele acide tamponază pH-ul acizilor și tampoanele alcaline bazice pH-ului, ambii pot reacționa cu ionii H3O + și OH- prin intermediul acestor serii de ecuații chimice:
A- + H3O + => HA + H20
HB + + OH- => B + H20
Astfel, în cazul perechii HA / A, HA reacționează cu ionii OH, în timp ce A- - baza conjugată a acestuia - reacționează cu H3O +. De îndată ce perechea B / HB +, B reacționează cu ionii de H3O +, în timp ce HB + - acidul său conjugat - cu OH-.
Acest lucru permite ambelor soluții tampon să neutralizeze atât speciile acide, cât și cele de bază. Rezultatul celor de mai sus față de, de exemplu, adăugarea constantă de moli de OH-, este scăderea variației pH-ului (ΔpH):
Imaginea superioară arată amortizarea pH-ului față de o bază puternică (donator de OH-).
Inițial, pH-ul este acid datorită prezenței HA. Atunci când se adaugă baza puternică, se formează primele cariere ale lui A- și tamponul începe să aibă efect.
Cu toate acestea, există o zonă a curbei unde panta este mai puțin abruptă; adică unde amortizarea este mai eficientă (cadru albastru).
eficiență
Există câteva modalități de a înțelege conceptul de eficiență a tamponului. Unul dintre acestea este acela de a determina cel de-al doilea derivat al curbei pH față de volumul de bază, eliminând V pentru valoarea minimă, care este Veq / 2.
Veq este volumul la punctul de echivalență; Acesta este volumul de bază necesar pentru neutralizarea întregului acid.
O altă modalitate de ao înțelege este prin ecuația celebrului Henderson-Hasselbalch:
pH = pK a + log ([B] / [A])
Aici B denotă baza, A acidul și pK a este logaritmul cel mai scăzut al constantei de aciditate. Această ecuație se aplică atât speciilor acide HA, cât și acidului conjugat HB +.
Dacă [A] este foarte mare în raport cu [B], log () are o valoare foarte negativă, care este scăzută de la pK a . Dacă dimpotrivă [A] este foarte mică în raport cu [B], valoarea log () are o valoare foarte pozitivă, care este adăugată la pK a . Cu toate acestea, atunci când [A] = [B], log () este 0 și pH = pK a .
Ce înseamnă toate cele de mai sus? Că ΔpH va fi mai mare în extremele considerate pentru ecuație, în timp ce va fi mai mic cu un pH egal cu pK a ; și deoarece pK a este caracteristic fiecărui acid, această valoare determină intervalul pK a ± 1.
Valorile pH-ului în acest interval sunt cele în care tamponul este mai eficient.
preparare
Pentru a pregăti o soluție tampon, este necesar să țineți cont de următorii pași:
- Cunoașteți pH-ul necesar și, prin urmare, cel pe care doriți să-l păstrați cât mai constant posibil în timpul reacției sau procesului.
- Cunoscând pH-ul, căutăm toți acizii slabi, cei ai căror pK a este mai aproape de această valoare.
- Odată ce sa ales specia HA și s-a calculat concentrația tamponului (în funcție de cantitatea de bază sau de acid care trebuie neutralizată), cantitatea necesară de sare de sodiu este cântărită.
Exemple
Acidul acetic are un pKa de 4, 75, CH3COOH; prin urmare, un amestec de anumite cantități din acest acid și acetat de sodiu, CH3 COONa, formează un tampon care absoarbe eficient în intervalul de pH (3, 75-5, 75).
Alte exemple de acizi monoprotici sunt acizii benzoici (C6H5COOH) și acizii formici (HCOOH). Pentru fiecare dintre aceste valori ale lui pK a sunt 4, 18 și 3, 68; prin urmare, domeniile lor de pH ale tamponării mai mari sunt (3.18-5.18) și (2.68-4.68).
Pe de altă parte, acizii poliprotici, cum ar fi fosforic (H 3 PO 4 ) și carbonic (H 2 CO 3 ) au cât mai multe valori ale pK a pe măsură ce protonii se pot elibera. Astfel, H3PO4 are trei pKa (2, 12, 7, 21 și 12, 67) și H2C03 are două (6, 352 și 10, 329).
Dacă doriți să mențineți un pH de 3 într-o soluție, puteți alege între tamponul HCOONa / HCOOH (pK a = 3, 68) și NaH2PO4 / H3PO4 (pKa = 2, 12).
Primul tampon, cel al acidului formic, este mai aproape de pH 3 decât tamponul acidului fosforic; prin urmare, HCOONa / HCOOH este mai bine tamponat la pH 3 decât NaH2PO4 / H3PO4.
