Definizione del buffer in chimica e biologia

UN buffer è una soluzione contenente un acido debole e il suo sale o una base debole e il suo sale, che è resistente alle variazioni di pH. In altre parole, un tampone è una soluzione acquosa di un acido debole e della sua base coniugata o di una base debole e del suo acido coniugato. Un tampone può anche essere chiamato tampone pH, tampone ione idrogeno o soluzione tampone.

I tamponi vengono utilizzati per mantenere un pH stabile in una soluzione, in quanto possono neutralizzare piccole quantità di acido aggiuntivo di base. Per una data soluzione tampone, esiste un intervallo di pH funzionante e una quantità impostata di acido o base che può essere neutralizzata prima che il pH cambi. La quantità di acido o base che può essere aggiunta a un buffer prima di modificarne il pH è chiamata capacità del buffer. 

L'equazione di Henderson-Hasselbalch può essere usata per misurare il pH approssimativo di un buffer. Per usare l'equazione, viene inserita la concentrazione iniziale o concentrazione stechiometrica invece della concentrazione di equilibrio.

La forma generale di una reazione chimica tampone è:

HA ⇌ H⁺ + UN^-

Esempi di buffer

• sangue - contiene un sistema tampone bicarbonato
• Buffer TRIS
• tampone fosfato

Come detto, i buffer sono utili su intervalli di pH specifici. Ad esempio, ecco l'intervallo di pH degli agenti tampone comuni:

Buffer	pKa	intervallo di pH
acido citrico	3.13., 4.76, 6.40	Da 2.1 a 7.4
acido acetico	4.8	Da 3,8 a 5,8
KH2PO4	7.2	6.2 a 8.2
borato	9.24	8,25-10,25
CHES	9.3	Da 8.3 a 10.3

Quando viene preparata una soluzione tampone, il pH della soluzione viene regolato per farlo rientrare nell'intervallo effettivo corretto. Tipicamente un acido forte, come l'acido cloridrico (HCl) viene aggiunto per abbassare il pH dei tamponi acidi. Una base forte, come la soluzione di idrossido di sodio (NaOH), viene aggiunta per aumentare il pH dei tamponi alcalini.

Come funzionano i buffer

Per capire come funziona un tampone, prendere in considerazione l'esempio di una soluzione tampone fatta dissolvendo acetato di sodio in acido acetico. L'acido acetico è (come si può dire dal nome) un acido: CH₃COOH, mentre l'acetato di sodio si dissocia in soluzione per dare la base coniugata, ioni acetato di CH₃COO^-. L'equazione per la reazione è:

CH₃COOH (aq) + OH^-(aq) ⇆ CH₃COO^-(aq) + H₂O (aq)

Se si aggiunge un acido forte a questa soluzione, lo ione acetato lo neutralizza:

CH₃COO^-(aq) + H⁺(aq) ⇆ CH₃COOH (aq)

Ciò sposta l'equilibrio della reazione iniziale del tampone, mantenendo stabile il pH. Una base forte, d'altra parte, reagirebbe con l'acido acetico.

Buffer universali

La maggior parte dei buffer lavora su un intervallo di pH relativamente ristretto. Un'eccezione è l'acido citrico perché ha tre valori di pKa. Quando un composto ha più valori di pKa, diventa disponibile un intervallo di pH più ampio per un buffer. È anche possibile combinare i buffer, a condizione che i loro valori di pKa siano vicini (differendo di 2 o meno) e regolando il pH con una base o un acido forti per raggiungere l'intervallo richiesto. Ad esempio, il buffer di McIvaine viene preparato combinando miscele di Na₂PO₄ e acido citrico. A seconda del rapporto tra i composti, il tampone può essere efficace da pH 3,0 a 8,0. Una miscela di acido citrico, acido borico, fosfato monopotassico e acido dietil barbituico può coprire l'intervallo di pH da 2,6 a 12!