Soluzione tampone ammoniacale : Buffer a base di ammoniaca per stabilizzare il pH

La preparazione di una soluzione tampone ammoniacale costituita da ammoniaca e cloruro di ammonio è un passaggio fondamentale per stabilizzare il pH di una soluzione. Questa soluzione tampone è utilizzata, ad esempio, per mantenere i livelli di pH stabili negli impianti di trattamento delle acque.

EDTA

La soluzione tampone ammoniacale è inoltre utilizzata nella calibrazione di un pHmetro, in alcune sintesi organiche che richiedono un determinato valore di pH e, soprattutto, nelle titolazioni complessometriche con EDTA per la determinazione della durezza dell’acqua.

L’EDTA, ovvero l’acido etilendiamminotetracetico, sintetizzato per la prima volta dal chimico austriaco Ferdinand Münz, è un acido poliammino carbossilico solubile in acqua dotato di due doppietti elettronici appartenenti all’azoto e soggetto a quattro equilibri di dissociazione. Il pH ottimale per la determinazione degli ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ è pari a 10, pertanto si utilizza una soluzione tampone ammoniacale.

Soluzioni tampone e pH

Le soluzioni tampone sono costituite da un acido debole e dalla sua base coniugata, come ad esempio acido acetico-acetato di sodio, oppure da una base debole e dal suo acido coniugato, come nel caso della soluzione ammoniacale.

La caratteristica delle soluzioni tampone è che il pH rimane pressoché invariato anche con l’aggiunta di piccole quantità di acido o base forte o di un agente che altera la concentrazione idrogenionica.

L’equazione di Henderson-Hasselbalch, dovuta al chimico statunitense Lawrence Joseph Henderson e al chimico danese Karl Albert Hasselbalch, è utilizzata per conoscere il pH, la concentrazione di un acido o della sua base coniugata, il rapporto tra le concentrazioni della base coniugata e dell’acido e il pKa dell’acido debole di una soluzione tampone. Nel caso di una soluzione tampone costituita da una base debole e dal suo acido coniugato, consente di determinare pOH, concentrazione di una base o del suo acido coniugato, il rapporto tra le concentrazioni dell’acido coniugato e dalla base e il pKb della base debole.

L’equazione di Henderson-Hasselbalch, nel caso di una soluzione tampone costituita da un acido debole e dalla sua base coniugata, è espressa come:
pH = pKa + log [A–]/[HA]
mentre, nel caso di una base debole e del suo acido coniugato, è espressa come:
pOH = pKb + log [BH+]/[B]

La capacità tamponante β, ovvero la misura quantitativa di quanto una soluzione tampone possa mantenere invariato il suo pH, viene espressa dall’equazione di Van Slyke. Il massimo potere tamponante β_max si verifica quando il rapporto tra base coniugata e acido, o tra acido coniugato e base, è uguale a 1, ovvero quando pH = pKa o pOH = pKb.

EDTA e soluzione ammoniacale

L’EDTA, comunemente utilizzato per le titolazioni complessometriche, è un agente chelante capace di analizzare virtualmente tutti gli ioni metallici. È un acido di Lewis con sei possibili siti di legame costituiti da quattro gruppi carbossilato e dai doppietti elettronici solitari presenti sui due atomi di azoto.

In una tipica determinazione analitica, l’EDTA, per complessare uno ione metallico, deve essere presente sotto forma di Y^4-.

complesso calcio EDTA

La formazione del complesso metallo-EDTA con lo ione Ca²⁺ può essere rappresentata dall’equilibrio:
Ca²⁺ + Y^4- ⇄ CaY^2-
per il quale la costante di equilibrio, detta costante di formazione (K_f), è espressa come:
K_f = [CaY^2-]/ [Ca²⁺][ Y^4-]
Il suo valore è 4.90 · 10¹⁰. Questo elevato valore indica che il complesso è stabile e l’equilibrio è spostato verso destra.

La forma Y^4- è predominante quando il valore del pH è di circa 10, quindi la soluzione tampone ammoniacale deve avere questo valore di pH. Per la titolazione dello ione calcio con EDTA si utilizza un indicatore metallocromico come il Nero eriocromo T.

Preparazione della soluzione tampone ammoniacale

Per preparare la soluzione ammoniacale è necessario conoscere la concentrazione dell’ammoniaca e dello ione ammonio. Applicando l’equazione di Henderson-Hasselbalch, per ottenere una soluzione con pH = 10 il valore di pOH è pari a 4. Poiché il valore di K_b dell’ammoniaca è 1.80 · 10^–5, il valore di pK_b è:

pK_b = – log K_b = – log 1.80 · 10^–5 = 4.74

Utilizzando l’equazione di Henderson-Hasselbalch:

4 = 4.74 + log [NH₄⁺]/[NH₃]
da cui 4 – 4.74 = – 0.74 = log [NH₄⁺]/[NH₃]
ovvero 10^–0.74 = 0.18 = [NH₄⁺]/[NH₃]

Una soluzione di ammoniaca concentrata ha una concentrazione del 28% m/m e una densità di 0.900 g/mL. Ciò implica che in 100 g di soluzione sono contenuti 28 g di ammoniaca, ovvero 28 g / 17.031 g/mol = 1.65 moli. Il volume corrispondente a 100 g si ricava dalla densità: V = massa/densità = 100 g / 0.900 g/mL = 111 mL.

cloruro di ammonio

La concentrazione molare dell’ammoniaca è pari a M = 1.65 mol / 0.111 L = 14.9 M.
Poiché [NH₄⁺]/[NH₃] = 0.18, possiamo considerare [NH₄⁺] = 0.18 M e [NH₃] = 1 M.
Per preparare 100 mL di soluzione ammoniacale sono necessarie 0.18 mol/L · 0.100 L = 0.018 moli di NH₄Cl, corrispondenti a 0.018 mol · 53.491 g/mol = 0.963 g di cloruro di ammonio.

Per ottenere 1000 mL di NH₃ a concentrazione 1 M, si usa la formula delle diluizioni: M₁V₁ = M₂V₂. Sostituendo si ha: 14.9 · V₁ = 1 · 1000 mL
Da cui V₁ = 67 mL.
Pertanto, per la preparazione della soluzione ammoniacale, si solubilizzano 0.963 g di cloruro di ammonio in acqua distillata e si aggiungono 67 mL di ammoniaca concentrata, diluendo infine fino a 100 mL.