Chimica e propedeutica biochimica - Unità 5

SOLUZIONI TAMPONE

Si oppongono alle variazioni di pH per modica aggiunta di acido o base.

Le soluzioni tampone inoltre si oppongono alle variazioni dovute alla diluizione di una

soluzione.

Avvengono equilibri simultanei.

De nizione: i sistemi tampone sono delle soluzioni che hanno la caratteristica di opporsi

alle variazioni di pH che avverrebbero se aggiungo Acido o base.

Curva in celeste è quella dell’acqua, nella sua condizione di purezza rappresenta

neutralità.

Curva verde è un sistema tampone dove ho aggiunto acido e base.

Se aggiungo acido all’acqua, pH precipita.

Se aggiungo una base o acido a sistema tampone, la salita della curva è più lenta.

La soluzione tampone infatti per de nizione si oppone.

fi fi fi fi fi

Soluzione di HCl, 1 M, dissociato in quanto acido forte.

La concentrazione degli ioni H+ è 1M. pH=0

Se abbiamo 4M di HCl. pH=0, non può essere < a 0

Se aggiungiamo NaOH 1M e lo mettiamo nell’acqua pura, ho concentrazione di OH- =1M

POH è 0 perchè log1 è 0, quindi pH è 14

Invece lo aggiungo a HCl che ha pH=0.

Tempo iniziale HCl 4M, NaOH 1M=H2O+NaCl

I rapporti stechiometrici sono 1:1

La mole di NaOH reagisce con 1 mole di HCl

Ho 1M di acqua, 1M di NaCl

Restano 3M di HCl, essendo acido forte la concentrazione di H+ sarà uguale a 3M

pH sempre uguale a 0

Anche una soluzione di un acido forte se si trova ad elevate concentrazioni, diventa anche

lei soluzione tampone.

Seconda caratteristica: sono soluzioni che si oppongono a variazioni di pH in seguito a

diluizione della mia soluzione

Abbiamo soluzione HCl, 01M, si dissocia completamente

Concentrazione di ioni H+ =0.1M pH=1

Immaginiamo di diluirla 10 volte. Diluire vuol dire aggiungere solvente, ma non aggiungere

soluto. Quindi vuol dire che la nuova soluzione ha aumentato il suo volume, ma non è

cambiato il numero di moli al suo interno.

Se prendo 1l di HCl, ci sono 0.1M di acido HCl.

Se diluiamo 10 volte, aumentiamo di 10 volte il volume. Volume diventa 10l, numero di

moli sempre uguale a 0.1M.

La mia molarità sara 0.1/10=0.01=10^-2M

PH cambia, perchè cambia molarità della reazione, la concentrazione di ioni H+.

Se questa soluzione tampone la andassi a diluire, il pH della soluzione non cambia.

Se nella mia soluzione c’è acido debole, acido acetico.

Parlare di sistema tampone acetato vuol dire che c’è acido acetico e il sale della sua base

coniugata CH3COO-Na+, acetato di sodio

Se metto in soluzione CH3COOH, si dissocia.

Attenzione!!! CH3COO- non è quello che deriva dalla dissociazione dell’acido.

È strettamente correlato, fanno parte dello stesso equilibrio.

Ma se metto dentro CH3COOH e in modo separato CH3COONa, questo si dissocia per

conto suo. Ci interessa CH3COO-, base coniugata, reagisce con acqua, mi darà

CH3COOH + ione OH-

Siamo in presenza di due equilibri

1. Acido che si dissocia

2. Base che dà idrolisi reagendo con l’acqua

Si dice che sono simultanei. La mia soluzione non li distingue.

Vuol dire che un equilibrio condiziona l’altro equilibrio ed è questo il problema.

Sto parlando di specie a comune in tutti e due gli equilibri.

Per il principio di Chatelier, la reazione si deve spostare.

Se si aggiunge una modica quantità di base, ioni OH-, alla nostra soluzione tampone:

reagiscono con ione H+ in soluzione. La concentrazione di H+ si va ad abbassare.

Per il principio di Chatelier, la reazione si sposta verso destra, perchè si deve rigenerare

H+. Acido acetico si dissocia, si alzerà concentrazioni di CH3COO-.perchè nessuno l’ha

sottratto.

Ci sta parlando di CH3COOH e CH3COO-. Sono concentrazioni simultanee che valgono

anche per l’altro equilibrio che avviene simultaneamente.

Permette di capire come data la simultaneità dei due processi sono concentrazioni a

comune.

È la simultaneità che permette alla reazione di avere processo di omeostasi, dove

concentrazioni d H+ e OH- sono controllati strettamente e il pH non cambia.

EQUAZIONE DI HENDERSON-HASSELBACH

Calcoliamo pH della soluzione tampone.

pH= -logKa+log(Cb/Ca)

All’interno di quella soluzione abbiamo i due equilibri simultanei che ci parlano di

concentrazione dell’acido e della base.

Signi ca far riferimento alla costante di dissociazione acida.

Con questa simultaneità le concentrazioni non cambiano.

Permette alle specie di rimanere costanti e mantenere costante il valore del pH.

Af nché tutto ciò funzioni, bisogna che le specie della base e dell’acido non debbano

essere sbilanciate tra di loro più di 10 volte.

Se va oltre questo fattore 10, la soluzione tampone comincia a perdere la sua

caratteristica.

Si vedrà esempio della soluzione tampone del bicarbonato.

Se non può essere sbilanciato più di 10 volte, pH=pKa+log10 oppure pH=pKa+log10^-1

La soluzione tampone può assumere valori di 1 o -1 a seconda di chi è più di 10 volte

rispetto all’altro. Range in cui soluzione tampone mantiene la sua caratteristica.

Per fare tampone, ho bisogno di acido che sia in un intorno di + o -1 rispetto al pH che

voglio ottenere.

Se pKa è 6, posso ottenere pH=7, ma anche se pKa fosse 8.

Stessa cosa vale per la base.

Potere tamponante: mantenere pH di una soluzione

Massimo quando il rapporto è uguale a 1, rapporto tra acido e base rappresenta potere

tamponante.

Data la relazione di Hasselbach, se è uguale a 1, pH diventa uguale a pKa dell’acido

utilizzato.

PARTICOLARI SOLUZIONI TAMPONE COINVOLTE NELL’OMEOSTASI DEL PH NEI

FLUIDI BIOLOGICI

Si intende sangue, citoplasma. Si dice che il pH ha valore di 7.41.

Nel range della normalità può variare da 7.38 a 7.45, molto stretto.

Si generano patologie molto serie che possono diventare irreversibili se non si rientra nel

range.

Sono mantenuti da sistemi tampone presenti nel nostro organismo. Sono più di uno.

Devono prevedere che pKa sia nell’’intorno di 7.21+/-1

Deve andare da 6.4 a 8.4.

Tampone bicarbonato fatto dalla specie acida che si dissocia dando HCO3- + H+

Poi reagisce con acqua che mi ridà H2CO3+OH-

Base coniugata è lo ione bicarbonato

Vado a vedere che il valore di pKa è inferiore a 6.4, però il sistema è ancora tamponante.

Perchè? Il tampone bicarbonato rappresenta uno dei più importanti utilizzati per

mantenimento omeostasi.

Il rapporto può essere anche più sbilanciato, ma resta chiaro il fatto che, anche se

sbilanciati + di 10 volte, vuol dire che le concentrazioni di H2CO3 e HCO3- devono

mantenersi costanti.

fi fi Il problema è capire come da un punto di vista siologico l’organismo fa per mantenere le

specie più costanti possibile.

Ci possiamo immaginare che H2CO3, che trovo nel sangue, è CO2 che deriva dalla

respirazione cellulare dei tessuti. Nel mezzo acquoso si mette in equilibrio con la sua

forma acida.

Esisteva mondo degli ossidi dei non metalli, detti anidridi, che reagendo con acqua danno

acidi ossigenati.

La sua concentrazione nel sangue dipende dalla pressione parziale della CO2.

Come si mantiene costante la pressione parziale? Attraverso il processo della ventilazione

polmonare, butto fuori CO2, abbasso tensione parziale e diminuisco concentrazione di

HCO3.

Il meccanismo siologico della ventilazione, utilizzando tensione parziale, può regolare

pressione parziale di CO2 e di conseguenza concentrazione di H2CO3.

Lo ione bicarbonato regolato a livello del rene da enzima anidrasi carbonica. Attraverso

funzionalità del rene, viene controllata concentrazione di HCO3-.

È al limite del suo funzionamento, in quanto spostato verso acido, richiede che

concentrazioni di acido e base siano strettamente regolati.

Questo problema non sussiste per quello che è un altro sistema tampone.

Mi deriva da quello che è il mondo dell’acido ortofosforico. Acido triprotico, può dissociare

3 ioni H+. Darà vita a 3 equilibri, verrà ceduto ione H+

H3PO4 ha pKa dell’ordine di 10^-3, H2Po4 ha pKa intorno a 10^-7.2, HPO42- pKa 10^-11

Ci potrà dare 3 specie acide e basi coniugate rispettive.

Dobbiamo decidere le coppie che vogliamo prendere.

Mi accorgo che ultimo equilibrio è tra acido debole e base coniugata, pKa=11, quindi

avrebbe pH tra 10 e 12

Secondo equilibrio tra acido debole e base coniugata, valore pKa 7.2, tampone tra 6.2 e

8.2

Il mio pH 7.4 è molto vicino

Quando si parla di specie che dà più dissociazioni, bisogna scegliere quella giusta in base

al valore del pKa in relazione al valore di pH che voglio ottenere.

H2PO4- acido diidrossifosfato e della base coniugata H2PO4-, ione mono idrogeno

fosfato= sistema tampone giusto!!! Non ha bisogno di molto controllo.

La specie dell’acido e base sono molto vicini circa la concentrazione, quindi è trascurabile.

Altro sistema tampone a carico di amminoacidi presenti in proteine nel sangue

ALBUMINA, proteina altamente rappresentata nel sangue. È uno dei principali deputati di

quello che è il mantenimento della osmolarità del sangue.

Pressione osmotica: tutto va mantenuto costante.

Se aggiungo all’acido acetico una base forte mi si forma acetato di sodio.

Posso prendere il barattolo dell’acido acetico, lo peso, preparo soluzione.

Se aggiungo NaOh, acido acetico reagisce per darmi un sale. Non è altro che un sale

della base coniugata del mio acido acetico.

Ogni volta che mi si va a formare, si sta formando soluzione tampone.

La soluzione tampone deve andare avanti.

Per ogni NaOh che aggiunto, un CH3COh reagisce per darmi Ch3COO-

Sull’asse delle mie ordinate riporto valore di pH

PKa è 10^-5, avremo tampone ottimale quando pH=pKa=5

Si parte dalla soluzione di CH3COOH con certo valore di pH

Immaginare che la mia soluzione abbia certo valore di pH

Si aggiunge NaOH, CH3COOh comincia a venire meno.

fi fi

C’è meno acido, il mio pH comincia ad aumentare.

Poi si appiattisce, perchè via via che reagisce si va a formare CH3COO-

Questa non è soluzione tampone. Il mio pH lo vedremo aumentare: un acido più è forte,

più il pH è basso.

Una soluzione che diminuisce la sua acidità innalza il suo pH

Via via che la reazione va avanti, mi trovo in una situazione in cui CH3COO- è aumentato

ed è maggiore a 1/10 di CH3COOH.

In questo modo sta diventando soluzione tampone e il pH comincia a diventare costante.

Questo tampone durerà tra 4 e 6, essendo la pKa=5

Se continuo ad aggiungere CH3COOh, nuovamente riperdo caratteristiche della soluzione

tampone. E quando aggiungo NaOH ho una risalita del pH molto ripida.

Il pH non si manti