SOLUZIONI TAMPONE SOLUZIONI TAMPONE

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1 SOLUZIONI TAMPONE Le soluzioni tampone (o tamponi) sono costituite da: un acido debole e un suo sale (tampone acido) oppure una base debole e un suo sale (tampone basico) Una soluzione di un acido debole (concentrazione C a ) e un suo sale (C s ) può essere considerata una soluzione tampone soltanto se 0.1 C a /C s 10. Analogamente per un tampone basico deve essere 0.1 C b /C s 10 Le soluzioni tampone hanno le seguenti proprietà: 1) il ph non varia per aggiunta di piccole quantità di un acido forte o di una base forte; 2) il ph è indipendente dalla diluizione. 1 SOLUZIONI TAMPONE Le soluzioni tampone (o tamponi) sono costituite da un acido debole e un suo sale oppure da una base debole e un suo sale Il tampone si basa sulla presenza contemporanea di due specie, una basica atta a reagire con ioni H 3 O + eventualmente aggiunti, l altra acida atta a reagire con ioni OH - Per un tampone acido deve essere 0.1 C a /C s 10 ; per un tampone basico deve essere 0.1 C b /C s 10. E un requisito necessario affinchè il tampone sia efficace sia nei confronti di un aggiunta di acido che di base; il tampone ottimale è quello in cui C a =C s (oppure C b =C s ). Le soluzioni tampone hanno le seguenti proprietà: 1) il ph non varia per aggiunta di piccole quantità di un acido forte o di una base forte; verrà dimostrato con esempi 2) il ph è indipendente dalla diluizione mentre il potere tamponante dipende dalla diluizione (diminuisce all aumentare della diluizione) 2 1

2 TAMPONE ACETATO E costituito da una soluzione di acido acetico e un suo sale. CH 3 COOH C a CH 3 COONa C s In soluzione il sale è totalmente dissociato: CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + C s C s Calcoliamo il ph del tampone: CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - 3 dalle lezioni precedenti si tenga presente: Calcolo del ph di una soluzione di un acido debole: HA + H 2 O H 3 O + + A - in. C a [H 3 O + ] w - eq. C a -x x x K a = [H 3 O + ] [A - ] / [HA] = x 2 /(C a x) nell ipotesi che sia x << C a possiamo scrivere: K a x 2 / C a x 2 = C a K a da cui x = [H 3 O + ] = C a K a Esempio: 1) CH 3 COOH 1.0 M (K a =1.8x10-5 M) [H 3 O + ]= C a K a = 1.0 x 1.8x10-5 = 4.24 x10-3 M ph= -log [H 3 O + ] =

3 TAMPONE ACETATO E costituito da una soluzione di acido acetico e un suo sale. CH 3 COOH C a CH 3 COONa C s In soluzione il sale è totalmente dissociato: CH 3 COONa CH 3 COO - + Na + C s C s Calcoliamo il ph del tampone: CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - in. C a [H 3 O + ] w C s eq. C a -x x C s +x K a = [H 3 O + ][CH 3 COO - ] / [CH 3 COOH] = x (C s +x) / (C a -x) ma poiché è SEMPRE x<<c s e x<<c a (effetto ione comune) K a = x C s /C a x = [H 3 O + ] = K a C a /C s Per es. per una soluzione con C a = 1.0 M e C s = 0.50 M (K a =1.8x10-5 ) [H 3 O + ] = 1.8x10-5 x 1.0/0.50 = 3.6x10-5 M ph=4.44 Se invece fosse C a =C s [H 3 O + ] = K a ph = pk a 5 TAMPONE ACETATO: aggiunta di un acido forte A 1.0 L del tampone acetato (C a = 1.0 M e C s = 0.50 M ; ph=4.44) si aggiungono 0.01 moli di HCl: HCl + H 2 O H 3 O + + Cl L acido forte reagisce con la componente basica del tampone: CH 3 COO - + H 3 O + CH 3 COOH + H 2 O in eq Calcoliamo il nuovo ph del tampone: CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - in eq x x 0.49+x K a =[H 3 O + ][CH 3 COO - ]/[CH 3 COOH] = x (0.49+x)/(1.01-x) = x 0.49/1.01 x = [H 3 O + ] = 1.8x10-5 x 1.01/0.49 = 3.71x10-5 M ph = 4.43 ΔpH=

4 TAMPONE ACETATO: aggiunta di una base forte A 1.0 L del tampone acetato (C a = 1.0 M e C s = 0.50 M ; ph=4.44) si aggiungono 0.02 moli di NaOH NaOH Na + + OH La base forte reagisce con la componente acida del tampone: CH 3 COOH + OH - CH 3 COO - + H 2 O in eq Calcoliamo il nuovo ph del tampone: CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - in eq x x 0.52+x K a =[H 3 O + ][CH 3 COO - ]/[CH 3 COOH] = x (0.52+x)/(0.98-x) = x 0.52/0.98 x = [H 3 O + ] = 1.8x10-5 x 0.98/0.52 = 3.39x10-5 M ph = 4.47 ΔpH= TAMPONE AMMONIACALE E costituito da una soluzione di ammoniaca e un suo sale. NH 3 C b NH 4 Cl C s In soluzione il sale è totalmente dissociato: NH 4 Cl NH Cl - C s C s Calcoliamo il ph del tampone: NH 3 + H 2 O NH OH - in. C b C s [OH - ] w eq. C b -x C s +x x K b = [NH 4+ ][OH - ]/[NH 3 ] = x (C s +x)/(c b -x) ma poiché è sempre x<<c s e x<<c b (effetto ione comune) K b = x C s /C b x = [OH - ] = K b C b /C s Per es. per una soluzione con C b = 1.0 M e C s = 0.75 M (K b =1.8x10-5 ) [OH - ] = 1.8x10-5 x 1.0/0.75 = 2.4x10-5 M poh=4.62 ph=9.38 Se invece fosse C b =C s [OH - ] = K b poh = pk b 8 4

5 TAMPONE AMMONIACALE: aggiunta di un acido forte A 1.0 L del tampone ammoniacale (ph=9.38) aggiungo 0.01 moli di HCl: HCl + H 2 O H 3 O + + Cl L acido forte reagisce con la componente basica del tampone: NH 3 + H 3 O + NH H 2 O in eq Calcoliamo il nuovo ph del tampone: NH 3 + H 2 O NH OH - in [OH - ] w eq x 0.76+x x K b = [NH 4+ ][OH - ]/[NH 3 ] = x (0.76+x)/(0.99-x) = x 0.76/0.99 x = [OH - ] = K b 0.99/0.76 [OH - ] = 1.8x10-5 x 0.99/0.76 = 2.34x10-5 M poh=4.63 ph=9.37 ΔpH= TAMPONE AMMONIACALE: aggiunta di una base forte A 1.0 L del tampone ammoniacale (ph=9.38) aggiungo 0.02 moli di NaOH NaOH Na + + OH La base forte reagisce con la componente acida del tampone: NH OH - NH 3 + H 2 O in eq Calcoliamo il nuovo ph del tampone: NH 3 + H 2 O NH OH - in [OH - ] w eq x 0.73+x x K b = [NH 4+ ][OH - ]/[NH 3 ] = x (0.73+x)/(1.02-x) = x 0.73/1.02 x = [OH - ] = K b 1.02/0.73 [OH - ] = 1.8x10-5 x 1.02/0.73 = 2.51x10-5 M poh=4.60 ph=9.40 ΔpH=

6 OSSERVAZIONI SUI TAMPONI 1) Data una soluzione tampone, qual è l intervallo di ph in cui essa è efficace? Per un tampone acido: [H 3 O + ] = K a C a /C s ma poiché deve essere che 0.1 C a /C s 10 ne consegue che 0.1 K a [H 3 O + ] 10 K a cioè ph = pk a 1 e nel caso C a =C s [H 3 O + ] = K a ph = pk a Per un tampone basico: [OH - ] = K b C b /C s 0.1 C b /C s K b [OH - ] 10 K b cioè poh = pk b 1 Esempi: Tampone acetato pk a = 4.74 intervallo di applicabilità ph = = Tampone ammoniacale pk b = 4.74 intervallo di applicabilità poh = ph = OSSERVAZIONI SUI TAMPONI 2) Il ph di un tampone non varia con la diluizione. Per un tampone acido: [H 3 O + ] = K a C a /C s = = K a (n a /V)/(n s /V) = K a n a /n s per es. confrontiamo i due seguenti tamponi acetato: (a) CH 3 COOH 1.0 M e CH 3 COONa 1.0 M (b) CH 3 COOH M e CH 3 COONa M i due tamponi hanno lo stesso ph = pk a = 4.74 tuttavia i due tamponi hanno diverso potere tamponante, che diminuisce al diminuire della concentrazione, cioè all aumentare della diluizione. 12 6

7 TAMPONE FOSFATO H 3 PO 4 + H 2 O H 3 O + + H 2 PO - 4 pk 1 = 2.1 H 2 PO H 2 O H 3 O + + HPO = 4 pk 2 = 7.2 HPO = 4 + H 2 O H 3 O + + PO 3-4 pk 3 = 12.3 Sia il secondo che il terzo equilibrio sono usati per preparare soluzioni tampone: H 2 PO HPO 4 = ph = HPO 4 = + PO 4 3- ph = Per es. per preparare una soluzione tampone a ph = 7.2 si possono utilizzare quantità uguali (in moli) di NaH 2 PO 4 e Na 2 HPO 4. La coppia H 2 PO HPO 4 = è uno dei tamponi presenti nel sangue (ph = 7.4) assieme al sistema H 2 CO 3 /HCO 3-13 SOLUZIONI TAMPONE 14 7

8 TITOLAZIONI ACIDO-BASE La titolazione è una comune tecnica di laboratorio per determinare la concentrazione di una soluzione. In una titolazione acido-base si misura il volume di una soluzione per es. di una base a concentrazione nota (titolante) per determinare la concentrazione di una soluzione di un acido a concentrazione (titolo) incognito. Al punto di equivalenza (o punto stechiometrico) si ha che: n a = n b M a V a = M b V b da cui, nota M b e misurati V a e V b si ricava M a 15 TITOLAZIONI ACIDO-BASE Come si opera sperimentalmente? Per determinare il punto di equivalenza su può usare un phmetro, oppure un indicatore acido-base (composto organico il cui colore dipende dal ph della soluzione) 16 8

9 TITOLAZIONI ACIDO-BASE Vetreria graduata: buretta 17 TITOLAZIONI ACIDO-BASE acido forte + base forte Esempio: HCl + NaOH NaCl + H 2 O 18 9

10 TITOLAZIONE ACIDO FORTE - BASE FORTE HCl + NaOH NaCl + H 2 O (i) n a > n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n a n b fin. n a -n b - n b (ii) n a = n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n n fin. - - n (iii) n a < n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n a n b fin. - n b -n a n a soluzione acida soluzione neutra soluzione basica 19 TITOLAZIONE ACIDO FORTE - BASE FORTE HCl + NaOH NaCl + H 2 O (i) n a > n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n a n b fin. n a -n b - n b (ii) n a = n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n n fin. - - n (iii) n a < n b HCl + NaOH NaCl + H 2 O in. n a n b fin. - n b -n a n a 20 10

11 TITOLAZIONI ACIDO-BASE base forte + acido forte Esempio: NaOH + HCl NaCl + H 2 O 21 TITOLAZIONI ACIDO-BASE acido debole + base forte Esempio: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O 22 11

12 TITOLAZIONE ACIDO DEBOLE BASE FORTE CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O (i) n a > n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n a n b fin. n a -n b - n b soluzione tampone (ii) n a = n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n n fin. - - n soluzione leggermente basica (iii) n a < n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n a n b fin. - n b -n a n a soluzione basica 23 TITOLAZIONE ACIDO DEBOLE BASE FORTE CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O (i) n a > n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n a n b fin. n a -n b - n b (ii) n a = n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n n fin. - - n (iii) n a < n b CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O in. n a n b fin. - n b -n a n a 24 12

13 TITOLAZIONI ACIDO-BASE base debole + acido forte Esempio: NH 3 + HCl NH 4 Cl 25 TITOLAZIONI ACIDO-BASE : NORMALITA La normalità N è una misura di concentrazione particolarmente utile nell ambito delle titolazioni: essa esprime gli equivalenti del soluto contenuti in un litro di soluzione. La normalità di una soluzione dipende dalla reazione a cui il soluto prende parte (reazioni acido-base oppure reazioni redox). Per una reazione acido-base, si definisce l equivalente come la frazione della mole di un acido che cede una mole di H + (e la frazione della mole di una base che accetta una mole di H + )

14 TITOLAZIONI ACIDO-BASE : NORMALITA Per es. per la reazione: HCl + NaOH NaCl + H 2 O 1 equivalente = 1 mole (sia per HCl che per NaOH) mentre per la reazione H 2 SO NaOH Na 2 SO 4 + H 2 O 1 equivalente (acido) = 0.5 moli 1 equivalente (base) = 1 mole Quindi relativamente a quest ultima reazione una soluzione di H 2 SO M (1.0 mol/l) corrisponde a una concentrazione 2.0 N ( 2.0 eq/l) una soluzione di NaOH 1.0 M corrisponde a 1.0 N In generale, per una stessa soluzione la concentrazione NORMALE è sempre un multiplo della concentrazione MOLARE (oppure le due misure coincidono). 27 TITOLAZIONI ACIDO-BASE: acido poliprotico acido poliprotico + base forte Esempio: H 3 PO 4 + NaOH (1) H 3 PO 4 + NaOH NaH 2 PO 4 + H 2 O (2) NaH 2 PO 4 + NaOH Na 2 HPO 4 + H 2 O (3) Na 2 HPO 4 + NaOH Na 3 PO 4 + H 2 O 28 14

15 TITOLAZIONI ACIDO-BASE: acido poliprotico 29 INDICATORI ACIDO-BASE Sono composti organici il cui colore dipende dal ph della soluzione. Si tratta in genere di acidi deboli, per i quali la forma acida HIn e la forma basica In - hanno colore diverso. HIn + H 2 O H 3 O + + In - quando [HIn] >> [In - ] la soluzione assume il colore della forma acida quando [HIn] << [In - ] la soluzione assume il colore della forma basica quando [HIn] [In - ] la soluzione ha colore intermedio Dalla K In = [H 3 O + ][In - ] / [HIn] si ha che quando [H 3 O + ] = K In allora [HIn] = [In - ] cioè il punto di viraggio per un indicatore si ha quando ph = pk In 30 15

16 INDICATORI ACIDO-BASE Il punto finale della titolazione è il punto a cui si osserva il viraggio dell indicatore. Se l indicatore è stato scelto opportunamente (cioè se pk In ha un valore vicino al ph del punto di equivalenza) il punto finale della titolazione coinciderà (o sarà molto vicino) al punto di equivalenza. 31 INDICATORI ACIDO-BASE 32 16

17 INDICATORI ACIDO-BASE 33 INDICATORI ACIDO-BASE: fenolftaleina punto finale 34 17