Il potere tamponante di una soluzione tampone

Francesca ha scritto:

Salve professoressa, scusi se la disturbo ancora, ma non mi è molto chiaro il concetto di potere tamponante; su internet ho trovato definizioni e formule contrastanti. Potrebbe spiegarmi cosa rappresenta, come si calcola e i suoi limiti di applicabilità? Grazie mille per l’attenzione.

Rispondo così:

Il potere tamponante è la misura della capacità di una soluzione tampone di opporsi alla variazione del pH a seguito dell’aggiunta di una certa quantità di acido forte o base forte. Esso è indicato con la lettera greca beta, β, e lo si può trovare espresso in due modi diversi.

Secondo la maggior parte degli autori il potere tamponante può essere definito, in via approssimata, come la quantità in moli di ioni OH^-, o di ioni H⁺, che deve essere aggiunta ad un litro di soluzione tampone per produrre una variazione del pH pari a un’unità, cioè

β = -ΔC_a /ΔpH = ΔC_b /ΔpH

dove ΔC_a e ΔC_b rappresentano, rispettivamente, la concentrazione in mol/L degli ioni H⁺ e OH^- aggiunti alla soluzione.

Secondo altri autori, invece, il potere tamponante indica la variazione di pH che si ha in 1 L di soluzione tampone quando si aggiunge ad essa una mole di ioni OH^-, o di ioni H⁺, cioè

β = -ΔpH /ΔC_a = ΔpH /ΔC_b

Il potere tamponante è un numero positivo; il segno negativo nell’espressione di β valida per l’aggiunta di acido serve proprio per rendere positivo il suo valore. Il ΔpH risulta infatti negativo quando in soluzione si aggiungono ioni H⁺, dato che il pH diminuisce all’aumentare della concentrazione degli ioni H⁺.

Come puoi notare, le due espressioni sono l’una l’inversa dell’altra. Nel primo caso, il potere tamponante è tanto più elevato quanto più elevato è il valore di β, in quanto è più grande la quantità di acido forte o base forte da aggiungere alla soluzione tampone per provocare la variazione del pH di un’unità. Nel secondo caso, invece, il potere tamponante è tanto più elevato quanto più piccolo è il valore di β, in quanto è più piccola la variazione del pH che si registra a seguito dell’aggiunta di una mol/L di ioni OH^-, o di ioni H⁺, provenienti da una base forte o da un acido forte. In entrambi i modi, tuttavia, viene quantificata la capacità di una soluzione tampone di mantenere pressoché inalterato il proprio pH dopo l’aggiunta di una certa quantità di acido forte o base forte.

Ritengo che la definizione più appropriata del potere tamponante sia la prima; una soluzione tampone è infatti capace di mantenere sostanzialmente inalterato il proprio pH per aggiunta di moderate quantità di acidi o basi forti. Il calcolo approssimato del valore di β può quindi essere effettuato con la prima delle due formule precedenti.

I limiti di applicabilità di questa formula sono legati al fatto che la definizione formale del potere tamponante è

β = – dC_a /dpH =  dC_b /dpH

Per ottenere valori di β più prossimi a quelli effettivi è quindi necessario che la differenza ΔpH assuma valori più piccoli possibile; la derivata della concentrazione C_a fatta rispetto al pH comporta, infatti, che l’entità ΔpH tenda al valore 0.

In generale, comunque, devi tenere presente che

• il potere tamponante raggiunge il suo valore massimo quando il pH della soluzione tampone corrisponde al pK_a (se il tampone è acido), condizione che si realizza  quando la concentrazione dell’acido e della sua base coniugata sono uguali;
• l’intervallo utile di pH di un tampone è generalmente considerato pari a pK_a ± 1, dato che al di fuori di questo intervallo non c’è una quantità di acido debole o base debole sufficiente ad assorbire le aggiunte di ioni OH^- o di ioni H⁺;
• la capacità tamponante aumenta all’aumentare della concentrazione dell’acido e della sua base coniugata presenti nel tampone, dato che l’aggiunta di ioni OH^- o di ioni H⁺ determina una variazione inferiore della concentrazione dell’acido e della sua base coniugata.