Il tampone fosfato

confronto del volume di idrossido di sodio usato per l'acqua con quello da utilizzare per provocare la stessa variazione di pH in 100 ml di tampone fosfato 0,01 M;

MAERIALI UTILIZZATI

  bacchetta di vetro;

  pipetta Pasteur;

  acqua;

  soluzione di NaOH 0.5 M;

  potassio fosfato monobasico (KH₂PO₄) in polvere (Mr = 136 g/mol);

  potassio fosfato bibasico (K₂HPO₄) in polvere (Mr = 174.2 g/mol);

  2 navicelle medie di plastica per la pesatura dei sali;

  2 spatolette di acciaio; 151i86b

  imbutino;

STRUMENTI DI MUSURA

  indicatore universale: cartina al tornasole, sensibile alla variazione di un'unità di pH;

  2 beute in pirex da 250 ml;

  beker da 200 ml;

  cilindro graduato da 25 ml;

  matraccio da 100 ml;

  bilancia elettronica con sensibilità 1 mg (ha degli sportelletti in vetro che evitano che gli spostamenti d'aria falsino le letture effettuate);

FASI DI ESECUZIONE DELL'ESPERIENZA

prelevamento di un volume d'acqua con una delle beute;

riempimento del matraccio con l'acqua, con l'ausilio dell'imbutino;

riempimento della beuta precedentemente svuotata, con i 100 ml d'acqua prelevati nel matraccio;

misura del pH iniziale dell'acqua e studio della sua variazione, con le cartine al tornasole, all'aggiunta dell'idrossido di sodio in quantità prefissate;

pesatura delle quantità di sali necessarie alla preparazione di 100 ml di tampone con concentrazione 0,05 M;

prelevamento di 20 ml di tampone 0.05M e diluizione di questi nell'altra beuta per ottenere il tampone fosfato a concentrazione 0,01 M, portando al volume di 100 ml con l'aggiunta di 80 ml d'acqua;

misura del pH iniziale del tampone e studio della sua variazione attraverso l'uso delle cartine al tornasole, all'aggiunta dell'idrossido di sodio in quantità tale da provocare la stessa variazione di pH dell'acqua;

costruzione dei grafici per lo studio delle variazioni del pH dell'acqua e del tampone fosfato;

Per misurare di volta in volta il pH si bagna l'estremità della bacchetta di vetro con la soluzione e se ne lascia cadere una o due gocce su un pezzetto di cartina al tornasole.

LE SOLUZIONI TAMPONE

Una soluzione tampone è una soluzione in cui è presente un acido debole e la sua base coniugata sotto forma di sale, o viceversa, questa soluzione, attraverso le dissociazioni acide e basiche dei suoi componenti, avrà la capacità di subire variazioni piccolissime di pH all'aggiunta di un piccolo volume di acido o base forti a concentrazioni non elevate. Le reazioni di idrolisi che interessano un acido e la sua base coniugata sono le seguenti:

HA + H₂O A^- + H₃O⁺

A^- + H₂O HA + OH^-

l' azione tamponatrice della soluzione esiste in quanto per aggiunte di acido o base forte gli equilibri delle reazioni si spostano verso sinistra facendo variare le concentrazioni di acido debole e della base coniugata. Scrivendo la relazione per la Ka, e facendo le dovute approssimazioni, ricaviamo che la concentrazione degli ioni H⁺ dipende dalle concentrazioni dell'acido e della base coniugata:

[A^-][ H₃O⁺] Ca

Ka₂ = [H₃O⁺] = Ka₂

[HA] Cb

In queste relazioni consideriamo la concentrazione dell'acido uguale a quella di partenza in quanto la sua dissociazione è debole e se ne consuma poco, inoltre l'acido è anche fornito dalla dissociazione basica della sua base coniugata; lo stesso discorso vale per la base coniugata: poca ne sarà consumata nella dissociazione, ma al contempo sarà bilanciata dalla base che si forma nella dissociazione acida.

Da queste relazioni si ricava inoltre che la capacità tamponante massima si avrà quando l'acido e la base coniugata sono presenti in uguali concentrazioni, quando cioè il tampone è equimolare; esso bilancerà quindi in modo uguale aggiunte sia di base forte che di acido forte se in concentrazioni uguali. Se si aggiunge però un acido fino a far diventare il rapporto delle concentrazioni dieci a uno si avrà allora una diminuzione del pH del tampone di una unità; se, viceversa si aggiunge base fino a che il rapporto delle concentrazioni diventa uno a dieci si avrà un aumento del pH di un'unità; oltre queste aggiunte il potere tamponante della soluzione diminuirà moltissimo ed essa perderà le sue capacità tamponanti.

IL TAMPONE FOSFATO

Il tampone fosfato preparato e studiato nell'esperienza fa parte dei tamponi plasmatici, essi sono quei tamponi che, come il tampone carbonato e il sistema proteine - proteinato, si trovano nel sangue, hanno un pH di tamponamento intorno a 7, e hanno la funzione di evitare patologie come l'acidosi e l'alcalosi. Per verificare la sua capacità tamponante abbiamo voluto confrontare i volumi di una base forte, l'NaOH, da aggiungere a uguali volumi di acqua e di tampone per provocare la stessa variazione di pH.

Il tampone fosfato sfrutta la seconda reazione di dissociazione dell'acido fosforico H₃PO₄:

H₂PO₄^- + H₂O HPO₄^2- + H₃O⁺

questo equilibrio avrà una costante acida Ka₂:

[HPO₄^2-][ H₃O⁺]   

Ka₂ =

[H₂PO₄^-]

la costante di equilibrio di questa reazione è Ka₂ = 6.2 * 10^-8 quindi il pKa₂ sarà di 7,2; dal diagramma di distribuzione ionica si ricava che quando la soluzione di fosfato biacido e fosfato monoacido è equimolare il pH della soluzione sarà uguale al pKa₂.

Questo tampone quindi ammortizzerà aggiunte di ioni H₃O⁺ e OH^- attraverso le reazioni di dissociazione dell'acido e della base coniugata;

la dissociazione acida ammortizzerà l'aggiunta di acidi forti:

H₂PO₄^- + H₂O HPO₄^2- + H₃O⁺

quella basica invece ammortizzerà l'aggiunta di basi forti:

HPO₄^2- + H₂O H₂PO₄^- + OH^-

Per preparare il tampone equimolare abbiamo dovuto sciogliere in acqua un ugual numero di moli di acido e di base coniugata, ciò lo abbiamo fatto prelevando quantità calcolate di sali di potassio formati dal fosfato monoacido e dal fosfato biacido che in acqua si sono dissociati liberando gli ioni che hanno poi creato il tampone; gli ioni potassio liberati dalle dissociazioni sono ininfluenti sul pH in quanto essi sono l'acido coniugato debolissimo della base forte KOH

FORMULE E CALCOLI

Per preparare il tampone 0.01 M abbiamo diluito un volume di tampone 0.05 M preparato da noi in laboratorio. Siccome abbiamo voluto preparare 100 ml di tampone equimolare 0.05M, abbiamo avuto bisogno di 5 mn di KH₂PO₄ e 5 mn di K₂HPO₄.

mn sale = vol * M = 100 ml * 0.05 M = 5 mn

sapendo le moli necessarie abbiamo potuto calcolare le quantità in mg dei sali da sciogliere per formare il tampone:

mg sale = mn sale * Mr

mg KH₂PO₄ = 5 mn * 136 mg/mn = 680 mg

mg K₂HPO₄ = 5 mn * 174.2 mg/mn = 871 mg

Dopo aver preparato i 100 ml di tampone 0.05 M si è passato alla sua diluizione per l'ottenimento del tampone 0.01 M, sapendo che dopo la diluizione nel tampone ci sarà un numero noto di moli, possiamo prelevare un volume di tampone 0.05 M che ha lo stesso numero di moli per poi poterci aggiungere acqua per diluirlo:

mn (concentrato) = mn (diluito)   0.01 M * 100 ml = 0.05 M * X ml

X ml = (0.01 M * 100 ml) / 0.05 M = 20 ml

prelevando quindi 20 ml di tampone e portandoli al volume di 100 ml con l'aggiunta di acqua si

otterrà una diluizione fino alla concentrazione di 0.01 M.

DATI RACCOLTI E CONCLUSIONI

Dall'analisi dei grafici e delle tabelle si nota una netta differenza fra un tampone e l'acqua, infatti per innalzare il pH dell'acqua di due unità abbiamo dovuto aggiungere ad essa solo 16 gocce di NaOH, mentre per provocare la stessa variazione al tampone fosfato siamo arrivati a 66 gocce.

Siamo quindi riusciti ad osservare le capacità tamponanti della nostra soluzione, la quale ha mantenuto un pH vicino a 7 fino all'aggiunta di 26 gocce di NaOH.

CONSIDERAZIONI

Il tampone ottenuto in laboratorio è stato preparato con un procedimento non proprio accurato in quanto gli strumenti utilizzati per le misure di volume avevano un range d'errore che ci ha permesso di essere approssimativi soprattutto nello scioglimento dei sali. In teoria avremmo dovuto sciogliere i sali singolarmente in piccoli volumi d'acqua, successivamente avremmo dovuto inserire le soluzioni in un matraccio e portare la soluzione ottenuta al volume di 100 ml attraverso l'aggiunta di acqua.

Un altro punto in cui siamo stati approssimativi è stato nel calcolo del pH, sono state utilizzate infatti cartine sensibili all'unità di pH, che potevano andar bene per la variazione del pH dell'acqua, ma erano poco sensibili per una buona osservazione dell'andamento del pH del tampone; ci hanno permesso comunque di osservare la variazione che ci interessava.

ACCORGIMENTI ADOTTATI

Nell'inserimento dei sali nella beuta abbiamo dovuto fare attenzione a che non rimanessero dei granelli nelle navicelle, per evitare ciò abbiamo aggiunto pochissima acqua nelle navicelle, abbiamo raccolto il sale e lo abbiamo travasato nella beuta.

Nell'utilizzo del matraccio abbiamo fatto attenzione a leggere il volume, esso è infatti è dato dalla base del menisco che l'acqua formerà per le forze di adesione e coesione presenti in essa.