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SOLUZIONI TAMPONE, CALCOLI PER LA PREPARAZIONE DEI TAMPONI, CALCOLO DELLE VARIAZIONI DI pH

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SOLUZIONI TAMPONE

 

Background: lo studente deve conoscere:

• dissociazione dell'acqua e definizione di pH;

• dissociazione di acidi e basi e teoria di Bronsted e Lowry;

• fenomeno dell'idrolisi salina;

• definizione, meccanismo d'azione ed equazione di Handerson-Hasselbach per i tamponi.

Scopi: preparare due diverse soluzioni tampone e:

• dimostrare la proprietà dei tamponi di mantenere pressochè costante il loro pH all'aggiunta di acidi o basi estranee;

• confrontare il loro comportamento con quello di soluzioni non tampone;

• eseguire i calcoli relativi riguardanti:

     - la preparazione dei tamponi;

     - le variazioni di pH per aggiunte di un acido estraneo.

Equazioni utilizzate:

(1) equazione di Handerson-Hasselbach.

Parte sperimentale

Soluzioni a disposizione:

S1) 0,5 M  H3PO4                                          S2)  0,1 M  NaH2PO4   

S3) 0,1 M  Na2HPO4                                                  S4)  0,2 M   HCl

====>    nessuna di queste soluzioni è tampone; perchè?    <====

(Per l' H3PO4 :    pK1 = 2,0     pK2 = 6,8    pK3 = 12)

Preparazione del  1° tampone

Preparare 100 ml di una soluzione tampone fosfato che abbia pH 7,4;

    Quali soluzioni si devono mescolare?       Quale volume di ciascuna?

Preparare il tampone e misurare il pH al pHmetro;

Aggiunta di un acido estraneo: aggiungere 1 ml di HCl 0,2 M;

Misurare il pH e calcolare la variazione che è avvenuta.

Preparazione del  2° tampone

Preparare 60 ml di una soluzione tampone fosfato che abbia pH 2,0;

    Quali soluzioni si devono mescolare?         Quale volume di ciascuna?

Preparare il tampone, aggiungere 40 ml di acqua distillata e misurare il pH al pHmetro;

Aggiunta di un acido estraneo: aggiungere 1 ml di HCl 0,2 M;

Misurare il pH e calcolare la variazione che è avvenuta.

Soluzione che non è tampone

Per confronto,  verrà aggiunto un acido estraneo ad una soluzione che non è tampone;

Aggiungere 1 ml di HCl 0,2 M a 100 ml di acqua deionizzata;

Misurare ed annotare il pH.

CALCOLI

Eseguire i calcoli relativi alla variazione di pH. Si dovrebbe arrivare, applicando la teoria,

      a calcolare le variazioni di pH trovate sperimentalmente.


        CALCOLI PER LA PREPARAZIONE DEI TAMPONI

Bisogna conoscere gli equilibri di dissociazione acida dell' H3PO4. Essi sono:

H3PO4       +   H2O                H2PO4-        +     H3O+ pK1 = 2,0

H2PO4-        +   H2O                HPO4--      +     H3O+                           pK2 = 6,8

HPO4--      +   H2O                PO4---        +     H3O+ pK3 = 12

  TAMPONE

Il valore di pH 7,4 è interno all'intervallo  pK2±1;

occorrerà quindi far riferimento all'equilibrio per la dissociazione del secondo H+

il tampone conterrà perciò la coppia coniugata H2PO4- (componente acido del tampone) e HPO4-- (componente basico del tampone);

preparare tale tampone mescolando NaH2PO4 0,1 M con Na2HPO4 0,1 M

in soluzione acquosa i due sali si dissociano:

            NaH2PO4  ® Na+ + H2PO4-      Na2HPO4 ® 2 Na+ + HPO4--

Sostituendo nella equazione di Handerson-Hasselbach:    pH = pKa + log (nb/na)

   7,4 = 6,8 + log (nb/na)       log (nb/na)=0,6     (nb/na)= 100,6=4        (nb/na) = 4 moli / 1 mole

Poichè si hanno a disposizione i due sali già in soluzione, calcolo i volumi necessari

                       per NaH2PO4   0,1 M        1 l : 0,1 moli = x : 1 mole       x = 10 l

                       per Na2HPO4   0,1 M        1 l : 0,1 moli = x : 4 moli        x = 40 l

I volumi calcolati sono relativi tra di loro, non assoluti; occorre quindi un volume di 0,1 M  Na2HPO4 che sia 4 volte superiore al volume di 0,1 M NaH2PO4;

si useranno perciò 80 ml di Na2HPO4 0,1 M con 20 ml di NaH2PO4  0,1 M.

Si potrebbe preparare lo stesso tampone aggiungendo dell'NaOH (solido o in soluz.) a  una soluz. di H3PO4 oppure ad una soluz. di NaH2PO4. Si potrebbe anche preparare aggiungendo dell'HCl ad una soluz. di Na2HPO4; in questo caso in soluzione sarà presente anche dell'NaCl.

I calcoli relativi si lasciano allo studente.

  TAMPONE

Il valore di pH 2, 0 è interno all'intervallo  pK1±1;

occorrerà quindi far riferimento all'equilibrio per la dissociazione del 1° H+;

il tampone conterrà perciò la coppia coniugata H3PO4  (componente acido del tampone) e H2PO4- (componente basico del tampone);

preparare tale tampone mescolando  H3PO4  0,5 M con NaH2PO4 0,1 M.

Sostituendo nella equazione di Handerson-Hasselbach:    pH = pKa + log (nb/na)

 2.0 = 2,0 + log (nb/na)     log (nb/na)=0      (nb/na)= 100 = 1     (nb/na) = 1 mole / 1 mole

Poichè si hanno a disposizione i due composti già in soluzione, calcolo i volumi necessari:

                       per H3PO4  0,5 M           1 l : 0,5 moli = x : 1 mole      x = 2 l

                       per NaH2PO4 0,1 M        1 l : 0,1 moli = x : 1 mole      x = 10 l

I volumi calcolati sono relativi tra di loro, non assoluti; occorre quindi 1 volume di H3PO4 0,5 M e 5 volumi di NaH2PO4 0,1 M ;

si useranno perciò 10 ml di H3PO4  0,5 M con 50 ml di NaH2PO4   0,1 M.

Si potrebbe preparare lo stesso tampone anche aggiungendo dell'NaOH (solido o in soluzione) a una soluzione di H3PO4;

si potrebbe anche preparare aggiungendo dell'HCl ad una soluzione di Na2HPO4 oppure ad una soluzione di NaH2PO4; in questo caso, in soluzione sarà presente anche dell'NaCl.

I calcoli relativi si lasciano allo studente.

                      CALCOLO DELLE VARIAZIONI DI pH

1° TAMPONE

Il tampone è stato preparato mescolando 80 ml di Na2HPO4 0,1 M con 20 ml di NaH2PO4 0,1 M

Il suo pH è 7,4.

All'aggiunta di 1 ml di HCl 0,2 M avvengono le seguenti reazioni:

          HCl  ® H+ + Cl-              HPO4--  + H+ ® H2PO4-

      di   HPO4--  abbiamo:   80 ml ´ 0,1 M = 8    mmoli iniziali

            H2PO4-                   20 ml ´ 0,1 M = 2    mmoli iniziali

            HCl                           1 ml ´ 0,2 M = 0.2 mmoli

      reagiscono: 0,2 mmoli di HCl con 0,2 mmoli di HPO4-- 

      rimangono: 0 mmoli di HCl (reagisce tutto) e (8-0,2) = 7,8 mmoli di HPO4-- 

      si formano: 0.2 mmoli di  H2PO4- che si aggiungono alle 2 mmoli già presenti.

Il nuovo pH si potrà ora calcolare:

      pH = pKa + log (nb/na) = 6,8 + log (7,8 mmoli /2,2 mmoli) = 6,8 + 0,55 = 7,35

Per aggiunta di HCl, il pH diminuisce di 0,05 unità: DpH = 0,05.

2° TAMPONE

Il tampone è stato preparato mescolando 10 ml di H3PO4 0,5 M con 50 ml di NaH2PO4 0,1 M 

Il suo pH è 2,0.

All'aggiunta di 1 ml di HCl 0,2 M avvengono le seguenti reazioni:

          HCl  ® H+ + Cl-                H2PO4- + H+ ® H3PO4

      di    H2PO4-                    50 ml ´ 0.1 M = 5    mmoli iniziali

             H3PO4                     10 ml ´ 0.5 M = 5    mmoli iniziali

             HCl                            1 ml ´ 0.2 M = 0,2 mmoli aggiunte

      reagiscono: 0,2 0 mmoli  di HCl con 0,2 mmoli di  H2PO4-

      rimangono: 0 mmoli  di HCl (reagisce tutto) e (5-0,2) = 4,8 mmoli di H2PO4-  

      si formano: 0,2 mmoli di  H3PO4 che si aggiungono alle 5 mmoli già presenti.

Il nuovo pH si potrà ora calcolare:

      pH = pKa + log (nb/na) = 2,0 + log (4,8 mmoli /5,2 mmoli) = 2,0 – 0,03=1,97

Per aggiunta di HCl il pH diminuisce di 0,03 unità: DpH=0,03.

3° SOLUZIONE (che non è tampone)

Per aggiunta di 1 ml di HCl 0,2 M a 100 ml di acqua si avrà:     HCl  ® H+ + Cl-   

1 ml ´ 0,2 M = 0,2 mmoli aggiunte di HCl, che ora sono in 101 ml di soluzione;

la concentrazione di HCl sarà quindi 0,2 mmoli / 101 ml = 1,98´10-3 moli/l ;

la concentrazione degli ioni  H+ sarà uguale e perciò il pH = - log(1,98´10-3) = 2,70.

Per aggiunta di HCl il pH diminuisce di molto (da circa 5-5,5) a 2.,70:   DpH = 2,3-2,8.

Domanda finale: perchè il pH dell'acqua pura è generalmente attorno al valore di 5-5,5?



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