Solução Tampão

Uma solução tampão é uma solução que resiste a grandes variações de pH quando uma pequena quantidade de ácido forte ou base forte é adicionada. A maioria dos exemplos em sala de aula usa um ácido fraco com sua base conjugada, ou uma base fraca com seu ácido conjugado.

A ideia central é simples: um tampão tem dois parceiros prontos para reagir. Um deles remove o $H^+$ adicionado, e o outro remove o $OH^-$ adicionado, então o pH varia menos do que variaria em uma solução sem tampão.

O Que Faz Uma Solução Ser Um Tampão

Um tampão ácido geralmente contém:

1. um ácido fraco, como o ácido acético, $HA$
2. sua base conjugada, como o acetato, $A^-$

Um tampão básico geralmente contém:

1. uma base fraca
2. seu ácido conjugado

A condição principal é que os dois membros do par conjugado estejam presentes em quantidades apreciáveis. Uma solução contendo apenas ácido acético geralmente não é tratada como um tampão prático porque não tem base conjugada suficiente disponível para absorver ácido adicionado.

Por Que Soluções Tampão Resistem À Mudança De pH

Suponha que um tampão contenha $HA$ e $A^-$. Se uma pequena quantidade de ácido forte for adicionada, a base conjugada $A^-$ reage com boa parte desse ácido adicionado:

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

Se uma pequena quantidade de base forte for adicionada, o ácido fraco $HA$ reage com boa parte dessa base:

$$HA + OH^- \rightarrow A^- + H_2O$$

Nos dois casos, o ácido forte ou a base forte adicionados são convertidos em uma espécie mais fraca. O pH não permanece fixo, mas varia menos do que variaria sem o par tampão.

Quando A Equação De Henderson-Hasselbalch Ajuda

Para um tampão de ácido fraco, uma aproximação muito usada é a equação de Henderson-Hasselbalch:

$$\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a + \log_{10}\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)$$

Essa equação é mais útil quando:

1. o tampão realmente é formado por um ácido fraco e sua base conjugada
2. os dois componentes estão presentes em quantidades comparáveis e não desprezíveis
3. a concentração é uma aproximação aceitável para a atividade

Em problemas de sala de aula e em muitos exercícios de laboratório, essa aproximação funciona bem o suficiente para desenvolver a intuição e resolver cálculos rotineiros. Em trabalhos mais exatos, os químicos também consideram atividade, força iônica e detalhes mais completos do equilíbrio.

Exemplo Resolvido: Ácido Acético E Acetato

Considere um tampão feito de ácido acético e acetato. Suponha que uma solução de $1.0 \, \mathrm{L}$ contenha:

1. $0.20 \, \mathrm{mol}$ de ácido acético, $HA$
2. $0.20 \, \mathrm{mol}$ de acetato, $A^-$

Para o ácido acético, tome $\mathrm{p}K_a \approx 4.76$.

Como o ácido e a base conjugada estão presentes em quantidades iguais,

$$\frac{[A^-]}{[HA]} = 1$$

então

$$\log_{10}(1) = 0$$

e o pH do tampão é aproximadamente

$$\mathrm{pH} \approx 4.76$$

Agora adicione $0.010 \, \mathrm{mol}$ de ácido forte, $HCl$. O $H^+$ adicionado reage principalmente com o acetato:

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

As novas quantidades são aproximadamente:

1. $A^-: 0.20 - 0.010 = 0.19 \, \mathrm{mol}$
2. $HA: 0.20 + 0.010 = 0.21 \, \mathrm{mol}$

Como o volume da solução permanece próximo de $1.0 \, \mathrm{L}$, a razão entre concentrações é aproximadamente a mesma que a razão entre quantidades em mol:

$$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}\left(\frac{0.19}{0.21}\right)$$ $$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}(0.905) \approx 4.72$$

O pH cai apenas um pouco, de cerca de $4.76$ para cerca de $4.72$. Essa pequena variação é a principal função de um tampão.

Erros Comuns Com Soluções Tampão

Tratar Qualquer Solução De Ácido Fraco Como Tampão

Um ácido fraco sozinho pode ter um pH, mas um tampão prático precisa do par conjugado. Sem os dois componentes, a solução tem muito menos capacidade de absorver ácido ou base adicionados.

Supor Que O pH Do Tampão Permanece Constante

Tampões resistem à mudança. Eles não impedem a mudança completamente. Se você adicionar ácido forte ou base forte em excesso, o tampão pode ser superado.

Usar Henderson-Hasselbalch Sem Informar As Condições

A equação é uma aproximação, não uma lei que se ajusta automaticamente a qualquer solução. Ela é mais confiável no caso usual de tampões de ácido fraco ou base fraca, não para toda solução concentrada ou altamente não ideal.

Ignorar A Capacidade Tamponante

Dois tampões podem ter o mesmo pH e ainda assim se comportar de forma diferente quando ácido ou base são adicionados. Um tampão mais concentrado geralmente tem maior capacidade, o que significa que pode neutralizar mais ácido ou base adicionados antes que o pH varie muito.

Esquecer O Que A Diluição Muda

Se você diluir um tampão sem alterar muito a razão entre ácido e base, o pH pode permanecer relativamente parecido, mas a capacidade tamponante diminui. A solução passa a ser mais fácil de superar.

Onde Soluções Tampão São Usadas

Soluções tampão são usadas quando o pH precisa permanecer dentro de uma faixa adequada. Exemplos comuns incluem sistemas biológicos, formulações farmacêuticas e alimentícias, química analítica e titulações próximas de regiões em que o pH, de outra forma, variaria rapidamente.

Elas também são importantes fora do laboratório. A química do sangue, a atividade enzimática e muitos processos industriais dependem de o pH permanecer dentro de uma faixa estreita, então o comportamento de tampões faz parte de como esses sistemas se mantêm estáveis.

Tente Um Problema Semelhante

Mantenha o mesmo tampão de ácido acético, mas adicione $0.010 \, \mathrm{mol}$ de base forte em vez de ácido forte. Acompanhe qual componente reage, atualize a razão $[A^-]/[HA]$ e verifique se o pH sobe aproximadamente a mesma quantidade que caiu no exemplo acima. Esse é um próximo passo direto se você quiser testar seu entendimento.