Què vol dir dissolució tampó?

Ciències 4 Experiències didàctiques i treballs pràctics Què vol dir dissolució tampó? Montserrat Tortosa Moreno IES Ferran Casablancas (Sabadell) [email protected] El pH de l’aigua d’un aquari té un valor que s’ha de mantenir constant. És fàcil imaginar-se què passaria en cas contrari. El mateix podem dir del plasma sanguini, de la suor, de l’orina, dels xampús, d’una loció infantil i d’un gran reguitzell de líquids. Un pH constant s’aconsegueix amb una dissolució tampó o reguladora del pH. Però a la pràctica, què significa que manté el pH constant? OBJECTIUS • Preparar una solució tampó i mesurar l’evolució del pH en afegir petites quantitats d’àcid o de base. • Determinar si diversos líquids d’us comú són reguladors del pH, i interpretar-ho teòricament. • Comparar el comportament de líquids reguladors i no reguladors del pH. INTRODUCCIÓ El pH és una magnitud que mesura el grau d’acidesa o basicitat. En el cas de dissolucions aquoses pH = - log [H3O+] El pH varia lleugerament amb la temperatura, a 25 ºC una solució de pH = 7 és neutra, una solució àcida té un pH < 7 i una solució bàsica té un pH > 7. L’aigua desionitzada és neutra, té un pH = 7, tanmateix aquest valor pot variar en diverses unitats en afegir-hi una petita quantitat, una gota, d’àcid o de base. Una gran quantitat de processos químics i bioquímics ocorren a un pH concret i pràcticament constant, que no varia encara que s’incorporin noves substàncies al procés. Aquest comportament s’aconsegueix amb un sistema regulador de pH o sistema tampó. Una dissolució reguladora està constituïda per un àcid feble i una sal d’aquest àcid i de base forta, en concentracions similars (per exemple una solució que sigui àcid acètic 0,1 M al mateix temps acetat de sodi 0,1 M); o bé per una base feble i una sal d’aquesta base i d’àcid fort, en concentracions similars (per exemple amoníac 0,20 M i nitrat d’amoni 0,15 M). La reacció d’equilibri de l’àcid o la base febles explica que el pH es mantingui pràcticament constant encara que s’hi afegeixin petites quantitats d’un àcid o una base. MATERIAL I EQUIPAMENT Material de laboratori • 2 Vasos de precipitats de 100 ml • Suport, 2 pinces, 2 nous • 2 Varetes de vidre • Proveta de 100 ml • Pipetes Pasteur de 2 ml o goters graduats • Ulleres de seguretat Productes • CH3COOH 0,1 M • NaOH 0,1 M • HCl 0,01 M • NaOH 0,01 M • Aigua desionitzada • Aigua amb gas • Sucs de fruita • begudes diverses 18 Ciències 4 Experiències didàctiques i treballs pràctics Elements de l’equip Multilog 19 • 2 Sensors de pH (rang 0 a 14, resolució 0,02, temps de resposta 10 segons) amb els corresponents elèctrodes • Interfície Multilog Pro amb cable USB • Ordinador PROCEDIMENT Muntatge de l'experiència 1) Preparació de la solució tampó: • Aboquem 50ml d’àcid acètic 0,1M en el vas de precipitats. • Mesurem 25 ml de NaOH 0,1M i els aboquem en el mateix vas. • Posem 75 ml d’aigua desionitzada en un altre vas. • Preparem les pipetes Pasteur (fig. 1) per fer a cada vas 3 addicions successives d’un ml d’HCl 0,01M i 3 addicions d’un ml d’NaOH 0,01M. Figura 1. Pipeta Pasteur. L’àcid acètic i l’hidròxid de sodi reaccionen per donar acetat de sodi i aigua. En afegir un nombre de mols d’hidròxid de sodi inferior als d’àcid acètic, a la mescla resultant hi ha tant acetat de sodi que s’ha format com l’àcid acètic sobrant: la mescla constitueix una dissolució tampó. 2) Es connecten els dos sensors de pH a les entrades IO-1 (altra dissolució) i IO-2 (aigua desionitzada) de la interfície (fig.2). 3) Es connecta la interfície a l’ordinador mitjançant el cable USB o el connector de nou pins. 4) S’engega primer la interfície i després s’obre el programa Multilab Configuració del sistema Cal configurar el sistema perquè enregistri les dades de pH en funció del temps: Figura 2. Diagrama del muntatge per a l’estudi de la capacitat reguladora una solució tampó. • Clicant el botó configurar ajudant, s’obren tres pantalles consecutives (fig 3 a 6). Figura 3. Botó configurar ajudant. Figura 4. Primera pantalla de l’ajudant de configuració. Figura 5. Segona pantalla de l’ajudant. es detectaran els dos sensors de pH Cliqueu proper Cliqueu proper Seleccioneu freqüència: Mode de gravació: gon substituïr cada se Ciències 4 Experiències didàctiques i treballs pràctics 20 Figura 6. Darrera pantalla de configuració. Execució de l'experiència Durant tota l’experiència cal tenir present que el temps de resposta dels sensors de pH és d’uns 10 segons. • Poseu en marxa l’adquisició de les dades amb el botó executar (fig. 7) observeu els valors de pH de cada solució. Figura 7. Botó Executar. • Amb la pipeta Pasteur agafeu 2 ml d’HCl 0,01 M i afegiu-ne 1 ml a la solució d’aigua desionitzada i 1 ml a la dissolució tampó, agiteu cada solució amb una vareta de vidre (ALERTA, cal que sempre utilitzeu la mateixa vareta per a cada solució) espereu 10 segons que s’estabilitzi el pH • Repetiu el pas anterior dues vegades més • Amb la pipeta Pasteur agafeu 2 ml de NaOH 0,01 M i afegiu-ne 1 ml a la solució d’aigua desionitzada i 1 ml a la dissolució tampó, agiteu i espereu 10 segons que s’estabilitzi el pH • Repetiu el pas anterior dues vegades més • Finalitzeu la captació de dades amb el botó stop (fig. 8). Figura 8. Botó Stop. Nota: És convenient afegir una quantitat d’àcid o de base prou gran perquè pugui fer variar el pH de manera apreciable si s’afegeix a un líquid no tampó com poden ser un àcid o base febles. Per això es considera adequat fer les addicions de ml en ml (i no gota a gota) per a concentracions d’HCl i de NaOH 0,01 M. Seleccioneu Cliqueu Per temps 8: 20 min Acabar És interessant repetir l’experiència utilitzant aigua amb gas, sucs de fruita naturals o comercials i begudes diverses. RESULTATS ESPERATS a) Aigua desionitzada i solució tampó preparada Aigua desionitzada Solució tampó Figura 9. Evolució del pH obtinguda en fer 3 addicions successives d’1 ml de HCl 0,01M seguides de 3 addicions de NaOH 0,01M a 75 ml d’aigua desionitzada (línia blava) i 75 ml de solució tampó (línia carbassa). Les addicions han estat fetes amb una pipeta Pasteur. b) Aigua desionitzada i aigua amb gas Aigua amb gas Figura 10. Evolució del pH obtinguda en fer 3 addicions successives d’1 ml de HCl 0,01M seguides de 3 addicions de 1 ml de NaOH 0,01M a 50 ml d’aigua desionitzada (línia vermella) i 50 ml d’aigua amb gas (línia blava). Aigua desionitzada Ciències 4 Experiències didàctiques i treballs pràctics 21 c) Aigua i sucs de fruita Figura 11. Evolució del pH obtinguda en fer 3 addicions successives d’1 ml de NaOH 0,01M seguides de 3 addicions de HCl 0,01M a 50 ml d’aigua desionitzada(línies vermelles) i 50 ml de suc de llimona i de taronja naturals, acabats d’esprémer (línies blaves). COMENTARI DELS RESULTATS En una solució reguladora es produeix l’equilibri químic de l’àcid feble. Pel cas general d’un àcid de fórmula HA és HA + H2O  A– + H3O+ L’expressió de la seva constant d’acidesa Ka és Ka = [ A– ] [H3O+] / [HA] Si l’àcid està sol, la concentració d’àcid no dissociat HA és molt més gran que la de l’anió A–. En canvi si a la solució hi ha la sal NaA, aquesta donarà lloc als ions Na+ i A– i, per tant, les concentracions d’HA i de A– poden arribar a ser del mateix ordre. Com s’explica el comportament del pH d’una solució que conté un àcid feble i la seva sal sòdica en afegir-hi àcid? Si hi afegim àcid, aportem ions hidroni a l’equilibri i aquest es desplaça cap als reactius segons el principi de Le Chatelier. El valor de les concentracions ve regit per la constant d’acidesa Ka . En el cas d’una solució tampó les concentracions d’HA i A– són grans en relació a la constant d’acidesa. Per això la concentració d’ions hidroni, i en conseqüència el pH, variarà poc. HA + H2O  A– + H3O+ Com s’explica el comportament en afegir petites quantitats d’hidròxid? Si afegim hidròxid, aportem ions hidròxid a l’equilibri. Aquests ions reaccionen amb el ions hidroni per formar aigua: OH– + H3O+  2 H2O En treure els ions hidroni de la reacció HA + H2O  A– + H3O+ l’equilibri es desplaçarà cap als productes, segons el principi de Le Chatelier. En el cas d’una solució tampó les concentracions d’HA i A– són grans en relació a la constant d’acidesa, i per tant el pH variarà poc HA + H2O  A– + H3O+ A la figura 10 pot veure’s que el pH de l’aigua amb gas no varia en afegir l’àcid o la base. Per tant, es tracta d’una solució tampó. Aigua desionitzada Suc de llimona natural Aigua desionitzada Suc de taronja natural Per ser una solució tampó cal que hi hagi un àcid feble i una de les sals d’aquest àcid i base forta. En aquest cas, el gas és diòxid de carboni, que en dissoldre’s a l’aigua forma àcid carbònic, que és un àcid feble: CO2 + H2O  H2CO3 Es tracta d’un àcid dipròtic : H2CO3 + H2O  HCO3– + + H3O HCO3– + H2O  CO32– + + H3O A l’aigua amb gas hi ha cations metàl·lics, com el Na+ o el Ca2+, que amb els ions bicarbonat i carbonat formen la sal corresponent, que queda dissolta. Els sucs de fruita contenen àcids febles i també cations metàl·lics; és a dir que tenen la composició de solucions tampó. Ciències 4 Experiències didàctiques i treballs pràctics 22 Cas general: HA + H2O  A– + H3O+ l’anió A– forma la sal de base feble amb els ions de sodi, potassi o altres que hi ha als sucs de fruita. Per al suc de taronja, de llimona, i de pinya americana l’àcid majoritari és el cítric, C6H8O7, àcid 2hidroxipropantricarboxílic: CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH Aquest àcid també és utilitzat com a conservant en molts sucs de fruites envasats. Aquest treball forma part d’un projecte elaborat durant una llicència retribuïda concedida pel Departament d’Educació el curs 2004-05 (Resolució 16 juliol 2004. DOGC núm 4182 de 26-07-2004).