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Le soluzioni tampone sono sistemi che resistono alle variazioni di pH quando si aggiungono piccole quantità di acidi o basi. Sono formate da una coppia acido debole-base coniugata e il loro comportamento si descrive con l'equazione di Henderson-Hasselbalch. Questa risorsa spiega il meccanismo d'azione, la capacità tampone, gli esempi più comuni come il sistema sangue anidride carbonico-bicarbonato e le applicazioni in laboratorio, industria e biologia.
Come funziona il meccanismo tampone
Una soluzione tampone contiene un acido debole HA e la sua base coniugata A-, entrambi in concentrazione apprezzabile. Quando si aggiunge un acido forte, gli ioni idrogeno reagiscono con A- formando HA, consumando così gli ioni in eccesso. Quando si aggiunge una base forte, gli ioni ossidrilici reagiscono con HA, spostando la dissociazione verso la formazione di ulteriore A-. In entrambi i casi l'equilibrio si sposta secondo il principio di Le Chatelier e la variazione di pH resta contenuta. Il tampone però non è illimitato: superata la capacità tampone, il pH cambia rapidamente come in una soluzione ordinaria.
L'equazione di Henderson-Hasselbalch
L'equazione pH = pKa + log([A-]/[HA]) collega il pH di un tampone al pKa dell'acido debole e al rapporto tra le concentrazioni dei due componenti. Quando le concentrazioni sono uguali, il rapporto vale uno, il logaritmo è zero e il pH coincide con il pKa: questa è la condizione di massima efficacia. L'equazione deriva dall'espressione della costante di acidità ed è valida per soluzioni diluite in cui le attività si approssimano alle concentrazioni. In pratica permette di progettare un tampone scegliendo un acido con pKa vicino al pH desiderato e dosando i componenti nel rapporto adeguato.
Il tampone del sangue
Il sistema più studiato in biologia è il tampone carbonico-bicarbonato del sangue, che mantiene il pH plasmatico intorno a 7,4. L'anidride carbonica prodotta dal metabolismo si combina con l'acqua formando acido carbonico, che si dissocia in ioni idrogeno e bicarbonato. Il rapporto tra bicarbonato e anidride carbonica disciolta determina il pH secondo Henderson-Hasselbalch. Questo sistema è particolare perché la concentrazione di anidride carbonica è regolata dalla respirazione polmonare, mentre il bicarbonato è regolato dai reni: la cooperazione di questi due meccanismi rende il tampone fisiologico particolarmente efficace.
Scelta e preparazione in laboratorio
Per preparare un tampone si sceglie prima un sistema acido-base con pKa vicino al pH di lavoro, ricordando che l'efficacia cala oltre una unità di pH dal pKa. Si calcolano poi le quantità dei componenti con l'equazione di Henderson-Hasselbalch, usando un acido debole e un sale della sua base coniugata. In alternativa si può titolare parzialmente l'acido con una base forte. Occorre considerare anche la capacità tampone, legata alle concentrazioni assolute: soluzioni più concentrate resistono meglio ma possono interferire con le reazioni studiate. Esempi comuni sono i tamponi fosfato, acetato e Tris.
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Domande per ripassare
Perché una soluzione tampone resiste alle variazioni di pH?
Perché contiene sia un acido debole sia la sua base coniugata in quantità apprezzabili. L'acido neutralizza gli ioni ossidrilici aggiunti e la base coniugata neutralizza gli ioni idrogeno, quindi entrambe le perturbazioni vengono assorbite dall'equilibrio e il pH cambia solo marginalmente, finché non si esaurisce uno dei due componenti.
Come si sceglie un tampone per un determinato pH?
Si sceglie un sistema acido-base il cui pKa sia il più vicino possibile al pH desiderato, poiché l'efficacia è massima in quell'intorno e si mantiene accettabile entro circa una unità di pH dal pKa. Si calcola poi il rapporto tra base coniugata e acido con l'equazione di Henderson-Hasselbalch e si dosano i componenti di conseguenza.
Cosa succede quando si supera la capacità tampone?
Quando la quantità di acido o base aggiunta supera quella che i componenti del tampone possono neutralizzare, uno dei due si esaurisce quasi completamente. Da quel momento la soluzione non resiste più alle variazioni e il pH cambia bruscamente, come avverrebbe in una soluzione priva di tampone.