Emmanuele De Vendittis » 14.Soluzioni tampone

Definizione e proprietà delle soluzioni tampone

Le reazioni biologiche avvengono ad un pH rigorosamente controllato da efficienti sistemi tampone; una soluzione acquosa che contiene un sistema di controllo del pH viene chiamata soluzione tampone.
Una soluzione tampone manifesta la seguente proprietà: limita le variazioni di pH che si dovrebbero osservare dopo aggiunta di moderate quantità di acidi o basi forti.
Per il tamponamento a pH molto acidi o molto basici si usano rispettivamente acidi o basi forti.
Invece si sfruttano le proprietà degli acidi e basi deboli per tamponare a pH non troppo acidi o basici.
In particolare una soluzione tampone contiene nella stessa soluzione una concentrazione simile (paragonabile) di entrambe le specie che formano gli elementi di una coppia coniugata acido/base debole.

Preparazione di una soluzione tampone

Esistono varie modalità per allestire una soluzione tampone.
1° esempio
Se si sceglie per l’allestimento della soluzione tampone un acido debole monoprotico HA (HNO₂, CH₃COOH, HClO), bisogna sciogliere nella stessa soluzione quantità simili di:

• HA (ad esempio HNO₂);
• sale di HA derivante dalla reazione di HA con una base forte (ad esempio NaNO₂).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono HNO₂ e NO₂^–, in pratica i due elementi della coppia coniugata HNO₂/NO₂^–

Preparazione di una soluzion tampone (segue)

2° esempio
Se si sceglie una base debole B in grado di accettare un solo H⁺ (NH₃, CH₃ NH₂), bisogna sciogliere nella soluzione:

• B (ad esempio NH₃);
• sale di B derivante dalla reazione di B con un acido forte (ad esempio NH₄Cl).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono NH₄⁺e NH₃, che formano la coppia coniugata NH₄⁺/NH₃.

Preparazione di una soluzione tampone (segue)

3° esempio

Per l’allestimento di una soluzione tampone si possono anche scegliere gli acidi poliprotici H_nA (n ≥ 2).
In particolare, se si sceglie un acido debole biprotico H₂A (H₂CO₃, H₂S), bisogna sciogliere nella soluzione:

• H₂A (ad esempio H₂CO₃);
• sale stechiometricamente acido di H₂A derivante dalla reazione di H₂A con una base forte (ad esempio NaHCO₃).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono H₂CO₃ e HCO₃^–, formanti la coppia coniugata H₂CO₃/HCO₃^– .

Preparazione di una soluzione tampone (segue)

4° esempio
Si possono anche usare sali contenenti anioni derivanti da acidi deboli poliprotici H_nA (NaH₂PO₄, Na₂HPO₄) ed in questo caso bisogna sciogliere nella soluzione:

• sale contenente l’anione H_n–1A^– (ad esempio NaH₂PO₄);
• sale contenente l’anione H_n–2A^2– (ad esempio Na₂HPO₄).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono H₂PO₄^– e HPO₄^2–, formanti la coppia coniugata H₂PO₄^–/HPO₄^2–.

Preparazione di una soluzione tampone (segue)

4° esempio bis
In alternativa a quanto indicato nell’esempio 4, si possono sciogliere nella soluzione:

• sale contenente l’anione H_n–2A^2– (ad esempio Na₂HPO₄);
• sale contenente l’anione H_n–3A^3– (ad esempio Na₃PO₄).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono HPO₄^2– e PO₄^3–, formanti la coppia coniugata HPO₄^2–/PO₄^3–.

In tutti gli esempi presentati alcuni ioni (Na⁺, Cl^–), pur se presenti nella soluzione, non partecipano al funzionamento del sistema tampone.

Meccanismo di funzionamento del sistema tampone (segue)

D’altra parte HA, proprio perché è indissociato, è pronto a sequestrare gli ioni OH^– aggiunti sotto forma di base forte.

La presenza dello ione A^– nel tampone deve essere paragonabile a quella di HA e quindi esso viene in genere aggiunto sotto forma di sale di HA.
Infatti la quantità di A^– proveniente dalla dissociazione di HA sarebbe troppo esigua e quindi insufficiente per sequestrare gli ioni H⁺ aggiunti sotto forma di acido forte.

Calcolo del pH di una soluzione tampone (segue)

Dall’esempio descritto emerge quindi che il pH è diminuito di sole 0,06 unità di pH e pertanto la soluzione ha una buona proprietà tampone.
Analogamente, se si aggiungesse la stessa quantità di una base forte (5 ml di NaOH 0,5 M) il pH risulterebbe = 4,51 e quindi aumenterebbe di sole 0,06 unità di pH.
In conclusione la soluzione è realmente tampone perché:
pH iniziale = 4,45
pH dopo aggiunta di HCl = 4,39
pH dopo aggiunta di NaOH = 4,51
Se le stesse aggiunte fossero fatte ad una soluzione non tampone con un pH iniziale = 4,45 i valori di pH sarebbero stati:
pH dopo aggiunta di HCl = 2,30
pH dopo aggiunta di NaOH = 11,70
L’efficienza del tamponamento dipende anche dalla quantità di acido o base forte aggiunta.
Infatti il tampone funziona fintanto che c’è una quantità sufficiente di A^– e HA.

Potere tampone

Il potere tampone è misurabile con il numero di moli di acido o base forte che è necessario aggiungere alla soluzione tampone per osservare una variazione di 1 unità di pH.
Il potere tampone dipende da:

• somma delle concentrazioni di acido e base coniugata;
• valore numerico del rapporto tra [base] e [acido].

In particolare il potere tampone aumenta con l’aumentare della somma delle concentrazioni di acido e base, ed è massimo quando il rapporto [base]/[acido] = 1.

Nelle due pagine successive sono riportati esempi per valutare l’effetto sul potere tampone della somma delle concentrazioni di base e acido (1° esempio) e del rapporto tra le concentrazioni (2° esempio).
In conclusione per avere il miglior potere tampone conviene:
• utilizzare una coppia coniugata acido/base il cui pK_a sia il più simile al pH della soluzione tampone;
• avere un rapporto tra [base] e [acido] = 1;
• utilizzare elevate concentrazioni sia dell’acido che della base coniugata.

Potere tampone (segue)

Potere tampone (segue)

Sistemi tampone fisiologici

In condizioni normali il pH del sangue circolante può subire solo piccolissime oscillazioni intorno al valore di 7,4.

Comunque negli alveoli polmonari il pH può innalzarsi fino a 7,6, mentre nei tessuti periferici abbassarsi fino a 7,2.

Per mantenere costante il pH del sangue, esistono tre sistemi tampone:

• H₂CO₃/HCO₃^–
• H₂PO₄^–/HPO₄^2–
• proteina/proteinato (albumina, emoglobina, …)

Tra questi tre sistemi quello più efficace è H₂CO₃/HCO₃^–, in quanto è un sistema tampone aperto (rigenerabile). Infatti i due componenti di questo tampone sono in continuo scambio con l’esterno grazie ai polmoni (eliminazione di H₂CO₃ sotto forma di CO₂) ed i reni (eliminazione di HCO₃^–).

Sistemi tampone fisiologici (segue)

Infatti H₂CO₃ è in continuo equilibrio con CO₂ secondo la reazione:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

La CO₂ prodotta dal metabolismo dei tessuti viene convertita in H₂CO₃ a livello periferico, ma ridiventa CO₂nei polmoni e quindi eliminata con gli atti respiratori.
Quindi è possibile valutare la [H₂CO₃] attraverso una misura della pressione parziale di CO₂ (pCO₂).

Lo ione HCO₃^– è invece recuperato durante la filtrazione del sangue nei reni a livello del glomerulo.
Infatti dal catabolismo degli amminoacidi si produce la base NH₃, che quindi può convertire H₂CO₃ in HCO₃^–.

Quindi il sistema tampone H₂CO₃/HCO₃^– è regolato dalla:

• componente respiratoria CO₂, in equilibrio con H₂CO₃;
• componente renale (metabolica) HCO₃^–.