INSTITUTO FEDERAL DO NORTE DE MINAS GERAIS KAMILA MARCIANO DE SOUZA SOLUÇÃO TAMPÃO ARINOS MINAS GERAIS

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1 INSTITUTO FEDERAL DO NORTE DE MINAS GERAIS KAMILA MARCIANO DE SOUZA SOLUÇÃO TAMPÃO ARINOS MINAS GERAIS 2016

2 INSTITUTO FEDERAL DO NORTE DE MINAS GERAIS KAMILA MARCIANO DE SOUZA SOLUÇÃO TAMPÃO PROFESSOR: PAULO MATRANGOLO ARINOS MINAS GERAIS

3 INTRODUÇÃO A fim de facilitar o entendimento para o conteúdo a seguir, é importante esclarecer alguns conceitos básicos da química geral que serão citados a seguir. Podemos começar com as definições de ácido e base: Para o ácido existem dois conceitos. O primeiro de Arrhenius dizia: Ácido é toda substância que em solução aquosa libera como cátion o íon hidrogênio (H+). Brönsted e Lowry diziam que: Um ácido é um doador de prótons, um substância que pode transferir um próton para outra. E para base, Arrhenius dizia que Base é toda substância que em solução aquosa se dissocia liberando ânion oxidrila (OH-). Já para Brönsted e Lowry: Base é um receptor de prótons. Um ácido pode transferir um próton para uma base. Além disso a definição de ph também se faz importante nessa pesquisa, o ph é a sigla usada para potencial (ou potência) hidrogeniônico, porque se refere à concentração de [H+] (ou de H3O+) em uma solução. Assim, o ph serve para nos indicar se uma solução é ácida, neutra ou básica. A escala de ph varia entre 0 e 14 na temperatura de 25ºC. Se o valor do ph for igual a 7 será neutro. Mas se o ph for menor que 7, será ácido, e se for maior que 7, básico. 3

4 Solução tampão Uma solução tampão, solução tamponada ou simplesmente tampão é aquela solução capaz de manter aproximadamente constante o valor do seu ph quando é adicionado à ela um ácido ou base ou quando uma diluição ocorre. Podemos dizer que a concentração do íon Hidrogênio não sofre grandes alterações devido à adição de substâncias ácidas ou básicas. Embora haja outros tipos de solução tampão, estas soluções são constituídas geralmente de uma mistura de um ácido fraco e sua base conjugada (exemplo: ácido acético e acetato de sódio), ou da mistura de uma base fraca e seu ácido conjugado (exemplo: amônia e cloreto de amônio). A solução tampão pode ser constituída de um ácido fraco e um sal solúvel de mesmo ânion que esse ácido e as constituídas por uma base fraca e um sal solúvel de mesmo cátion que essa base. A função de um agente tamponador é conduzir uma solução ácida ou alcalina a um certo ph e prevenir a mudança deste ph. Essa resistência do ph é resultado do equilíbrio entre as espécies participantes do tampão. Usando o princípio de Le Chatelier" quando se provoca uma perturbação sobre um sistema em equilíbrio, este se desloca no sentido que tende a anular esta perturbação, procurando ajustar-se a um novo equilíbrio, portanto um agente tamponador sustenta esta faixa de concentração por prover o ácido ou base conjugada correspondente para estabilizar o ph ao que está sendo adicionado. Existe, porém um limite para as quantidades de ácido ou de base adicionadas a uma solução tampão antes que um dos componentes seja totalmente consumido. Este limite é conhecido como a capacidade tamponante de uma solução tampão e é definido como a quantidade de matéria de um ácido ou base forte necessária para que 1 litro da solução tampão sofra uma variação de uma unidade no ph. Capacidade tamponante A capacidade tamponante é a quantidade de íons hidrônio ou hidróxido que um tampão pode absorver sem uma mudança significativa em seu ph. = d Cb = - d Ca d ph d ph 4

5 Onde Ca e Cb são o número de mols de ácido forte e de base forte por litro necessários para produzir a mudança de uma unidade no ph. Quanto maior for o valor de, mais resistente a variação de ph será a solução. A característica mais notável da capacidade tamponante é que ela alcança um máximo quando ph = pka, ou seja, um tampão é mais eficaz em resistir a mudança de ph quando ph = pka, isto é, [HÁ] = [A-]. Na escolha de um tampão para um experimento, deve-se buscar um cujo pka seja o mais próximo possível do ph desejado. A faixa de ph útil de um tampão geralmente é considerada pka 1unidade de ph. A capacidade tamponante também pode ser aumentada aumentado a concentração do tampão. Essa capacidade tamponante depende de dois aspectos: Influência do ph ou pka: Quanto mais próximo o ph do tampão estiver do pka do ácido fraco, melhor a capacidade tamponante da solução tampão, ou seja, esta poderá resistir a variações no ph com a adição de ácidos ou bases. Um tampão eficaz tem ph = pka ±1. Quando o ph da solução tampão for igual ao pka do ácido a solução terá igual capacidade em relação às adições de ácido ou de base. Já se o ph do tampão estiver abaixo do pka, a capacidade tamponante do ácido será maior que a capacidade tamponante da base. Exemplo: Para o ácido acético pka = 4,75. Uma solução de ácido acético e acetato de sódio funcionará como um tampão eficaz na faixa de ph de 3,75 5,75. Influência da concentração: Quanto maior a concentração do ácido fraco e sua base conjugada, maior a capacidade tamponante. Exemplo: Podemos preparar uma solução tampão dissolvendo 1,0 mol de CH3COONa e de CH3COOH em 1L de água ou então usar somente 0,10 mol de cada. Entretanto, a primeira solução tampão tem uma capacidade tamponante dez vezes maior do que a segunda. 5

6 Calculo do ph de um tampão O cálculo do ph de uma solução tampão é realizado a partir da equação de Henderson Hasselbach. A equação de Henderson-Hasselbach é uma relação matemática entre o ph, o pka de um ácido fraco e as concentrações do ácido fraco e sua base conjugada. Supondo um ácido fraco HA e sua base conjugada A-: Tipos de solução tampão Ácido fraco + sal derivado de ácido fraco e base forte Base fraca + sal derivado de base fraca + ácido forte Dois sais Adição de ácido forte ou base forte a um sal Tampão bicarbonato: Um caso especial de sistema tampão de grande importância nos mamíferos é o bicarbonato/ácido carbônico. O plasma sanguíneo é tamponado em parte pelo sistema tampão do bicarbonato, consistindo em ácido carbônico (H2CO3) como doador de prótons (Ka é a primeira de várias constantes de equilíbrio no sistema de tamponamento do bicarbonato. 6

7 Este sistema tampão é o mais complexo do que outros pares de ácido-base conjugados porque um de seus componentes, ácido carbônico(h2co3), é formado a partir de dióxido de carbono dissolvido (d) e água, em uma reação reversível. O ph de uma solução tampão de bicarbonato depende da concentração de H2CO3 e HCO-3, os componentes doador e receptor de prótons. A concentração de CO2 na fase gasosa, ou da pressão arterial de CO2, designada por pco2. Portanto, o ph de um tampão de bicarbonato exposto a uma fase gasosa é determinado pela concentração de HCO-3 na fase aquosa e por CO2 na fase gasosa. Tampão fosfato: Age no citoplasma de todas as células e consiste de um ácido fraco/base conjugada O sistema tampão de fosfato é mais efetivo em um ph perto de seu pka de 6,86 e portanto tende a resistir a mudanças de ph em um intervalo de 5,9 e 7,9. Este portanto um tampão efetivo em fluídos biológicos, em mamíferos, por exemplo, fluídos extracelulares e a maioria dos compartimentos citoplasmáticos têm um ph no intervalo de 6,9 a 7,4. Tampão de proteínas: As proteínas apresentam uma grande capacidade tamponante. Composta de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas, as proteínas contêm vários grupos ionizáveis nas cadeias laterais que podem doar ou aceitar prótons. Como as moléculas de proteínas estão presentes em significantes concentrações nos organismos vivos, elas são tampões poderosos. Por exemplo, a hemoglobina é a mais abundante biomolécula nas células sanguíneas e exerce um importante papel na manutenção do ph no sangue. Também presentes 7

8 em altas concentrações e auxiliares na manutenção do ph são a albumina e outras proteínas séricas. Características de tampões Mecanismos de ação de um tampão Adição de ácido: Se um ácido for adicionado a um tampão, ocorrerá uma elevação da concentração dos íons H+ no meio (uma perturbação ao equilíbrio); de acordo com o princípio de Le Chatelier, essa perturbação será neutralizada pela base conjugada do tampão, restabelecendo o estado de equilíbrio, e o ph da solução irá variar pouco, conforme a reação abaixo: Adição de base: Se uma base for adicionada a um tampão, ocorrerá uma elevação da concentração dos íons OH no meio (uma perturbação ao equilíbrio); de acordo com o princípio de Le Chatelier, essa perturbação será neutralizada pelo ácido acético do tampão, restabelecendo o estado de equilíbrio, e o ph da solução irá variar pouco, conforme a reação abaixo: 8

9 Importância da solução tampão Quase todos os processos biológicos são dependentes do ph, uma pequena mudança no ph produz uma grande mudança na velocidade do processo. Isto é válido não somente para as muitas reações nas quais íons de H+ são participantes diretos, mas também para aquelas nas quais não existe aparentemente um papel para os íons de H+. As enzimas que catalisam as reações celulares, e muitas das moléculas nas quais elas agem, contêm grupos ionizáveis com valores de pka característicos. Os grupos amino e carboxil protonados de aminoácidos e os grupos fosfatos de nucleotídeos, por exemplo, agem como ácidos fracos, o seu estado iônico é determinado pelo seu ph do meio circundante. As células e organismos mantêm um ph citosólico específico e constante, em geral perto de um ph 7, mantendo biomoléculas em um estado iônico otimizado. Em organismos multicelulares, o ph dos fluídos extracelulares também é rigorosamente regulado. A constância do ph é atingida principalmente por tampões biológicos: misturas de ácidos fracos e suas bases conjugadas. Os fluidos extracelulares ou intracelulares de organismos multicelulares tem como característica um ph quase constante. A primeira linha de defesa dos organismos contra mudanças de ph é proporcionada por sistemas tampão. O citoplasma da grande maioria das células contém altas concentrações de proteínas, contendo muitos aminoácidos com grupos funcionais que são ácidos fracos ou bases fracas. Nucleotídeos como ATP, assim como muitos metabólitos de baixa massa molecular, contêm grupos ionizáveis que podem contribuir para o poder tamponante do citoplasma. Algumas organelas altamente especializadas e compartimentos extracelulares apresentam altas concentrações de compostos que contribuem para a capacidade de tamponamento: ácidos orgânicos tamponam o vacúolo das células das plantas, amônia tampona a urina. Dentre os fluidos biológicos, a saliva também constitui uma solução tampão, com a função de neutralizar os ácidos presentes na boca, evitando o desenvolvimento de bactérias que formam a placa bacteriana. 9

10 Referências bibliográfica LEHNINGER, A. L. Princípios de bioquímica. 5 ed. Porto Alegre: Sarvier, 2011.p MOTTA, V. T. Bioquímica básica. 2 ed. Cap 01, FIORUCCI, A. R.; SOARES, M. H.; CAVALHEIRO, É. T. Conceitos sobre solução tampão. Química nova na escola, maio SARAN, L. M. Solução tampão. FCAV/ UNESP Jaboticabal. 10