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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 HnA (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 HnA (NaH2PO4, Na2HPO4) ed in questo caso bisogna sciogliere nella soluzione:

  • sale contenente l’anione Hn–1A (ad esempio NaH2PO4);
  • sale contenente l’anione Hn–2A2– (ad esempio Na2HPO4).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono H2PO4 e HPO42–, formanti la coppia coniugata H2PO4/HPO42–.

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 Hn–2A2– (ad esempio Na2HPO4);
  • sale contenente l’anione Hn–3A3– (ad esempio Na3PO4).

In questo caso i costituenti attivi della soluzione tampone sono HPO42– e PO43–, formanti la coppia coniugata HPO42–/PO43–.

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

Il funzionamento del sistema tampone si basa sul ruolo della coppia coniugata acido/base debole, schematicamente indicata come HA/A.

In particolare HA tampona gli ioni OHprovenienti dalla dissociazione di una base forte (ad esempio NaOH):

HA + OH → A + H2O

Viceversa A tampona gli ioni H+ provenienti dalla dissociazione di un acido forte (ad esempio HCl):

A + H+ → HA

Quindi nel sistema tampone il pH viene mantenuto pressoché costante grazie alla mobilità dell’equilibrio della coppia coniugata HA/A perturbato dagli ioni OH e H+ (si veda figura a lato).

L’acido HA deve essere debole perché il suo equilibrio con Adeve essere spostato verso la formazione dell’acido indissociato.
Solo in questo modo infatti lo ione H+ aggiunto come acido forte può essere sequestrato da A, perché si riforma HA.


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.

Equazione di Henderson Hasselbalch

Per calcolare il pH di una soluzione tampone si utilizza l’equazione di Henderson-Hasselbalch (si veda formulazione a lato), derivante dalla trasformazione logaritmica dell’espressione della Ka (Kb).

Nel calcolo di [A] bisogna tener conto solo di A proveniente dalla dissociazione completa del sale di HA, perché quello derivante dalla dissociazione di HA è trascurabile.
Inoltre, proprio per la debolezza di HA, si può assumere che [HA] sia uguale a quella teorica dell’acido utilizzato per preparare la soluzione.
Quindi l’equazione di Henderson-Hasselbalch per calcolare il pH di una soluzione tampone può essere semplificata (si veda seconda formulazione a lato).

Equazione di Henderson Hasselbalch

Equazione di Henderson Hasselbalch

Equazione semplificata di Henderson Hasselbalch

Equazione semplificata di Henderson Hasselbalch


Calcolo del pH di una soluzione tampone

Qui di seguito è riportata la procedura per il calcolo del pH di una soluzione tampone e per la verifica della sua capacità tamponante.

Esempio

Calcolare il pH di una soluzione contenente [CH3COOH] 0,1 M e [CH3COONa] 0,05 M (pKa = 4,75) (si veda il calcolo a lato riportato).

Per verificarne la proprietà tampone, si aggiungano 5 ml di HCl 0,5 M a 0,5 L di questa soluzione e si ricalcoli il pH.

Prima dell’aggiunta di HCl nella soluzione tampone ci sono:

-) 0,5 L • 0,1 M = 0,05 mol CH3COOH
-) 0,5 L • 0,05 M = 0,025 mol CH3COO

Esempio di calcolo del pH di una soluzione tampone

Esempio di calcolo del pH di una soluzione tampone


Calcolo del pH di una soluzione tampone (segue)

La quantità di HCl aggiunta (0,005 L • 0,5 M = 0,0025 mol), dissociata in H+, reagisce stechiometricamente con CH3COO per formare CH3COOH secondo la reazione:

H+ + CH3COO → CH3COOH

Si ricalcolano quindi le nuove concentrazioni di CH3COO– e CH3COOH (come indicato a lato).

Si ricalcola poi il pH della soluzione tampone dopo l’aggiunta della moderata quantità di acido forte (come indicato a lato).

Calcolo delle concentrazioni dopo l’aggiunta di acido forte

Calcolo delle concentrazioni dopo l'aggiunta di acido forte

Calcolo del pH dopo l’aggiunta di acido forte

Calcolo del pH dopo l'aggiunta 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.

Scelta del sistema tampone e intervallo di pH utile per il tamponamento

In una soluzione tampone il valore di pKa è fisso e quindi il suo pH dipende solo dal logaritmo del rapporto [base]/[acido].

In questo rapporto le concentrazioni di base e acido devono essere paragonabili per avere una buona proprietà tampone.

Ciò si verifica in un ristretto intervallo di pH (zona ombreggiata), in cui ci sono le maggiori variazioni relative tra [acido] e [base], che però sono “appiattite” dalla funzione logaritmica.
Notare che in questa zona il pH varia poco, anche se ci sono grosse variazioni tra [acido] e [base].

Intervallo di pH utile per il tamponamento

Intervallo di pH utile per il tamponamento


Scelta del sistema tampone e intervallo di pH utile per il tamponamento (segue)

Quindi la zona di tamponamento è centrata sul pKa dell’acido debole prescelto e può discostarsi al massimo di 1 unità di pH inferiore o superiore:

pKa – 1 ≤ pH ≤ pKa + 1

In particolare:
pH = pKa – 1 ⇒ [acido] = 10 [base]
pH = pKa + 1 ⇒ [base] = 10
[acido]
Quindi, un sistema tampone ha una zona di tamponamento limitata a sole 2 unità di pH (a lato sono riportate le zone di tamponamento di alcune coppie coniugate acido/base).

Ciò implica che, una volta stabilito il valore di pH a cui è richiesta l’efficienza di tamponamento, bisogna scegliere una coppia coniugata acido/base debole che abbia un pKa prossimo al valore di pH del tamponamento.


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 pKa 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/HPO42–
  • 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/HCO3è regolato dalla:

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

Sistemi tampone fisiologici (segue)

In tale sistema il valore di pKa1di H2CO3 (ricalcolato a 37°C e alle condizioni di osmolarità del sangue) è 6,1 e quindi abbastanza diverso dal pH del sangue (7,4).

Dal calcolo riportato a lato emerge che [HCO3-] è circa 20 volte[H2CO3]

Anche se le concentrazioni dei due componenti del tampone non sono paragonabili (il sistema non opera alle condizioni ottimali di pH), esso è efficace perché i due organi (polmoni e reni) mantengono costante il rapporto [HCO3]/[H2CO3].
Essendo un sistema aperto, è possibile riaggiustare il pH del sangue attraverso compensazioni di una delle due componenti.


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