Os tampões são soluções que resistem à mudança de pH quando pequenas quantidades de ácido ou base são adicionadas e sustentam tudo, desde a química do sangue até a preparação de reagentes laboratoriais. A equação de Henderson-Hasselbalch é a ferramenta algébrica simples que os químicos usam para prever, projetar e solucionar problemas de pH do tampão a partir de apenas três números: um pKa e duas concentrações.
De onde vem a equação
Um ácido fraco HA dissocia-se parcialmente em água: HA ⇌ H⁺ + A⁻. A constante de equilíbrio para esta reação, Ka, é definida como Ka = [H⁺][A⁻]/[HA]. Pegar o log₁₀ negativo de ambos os lados e reorganizar transforma essa expressão de equilíbrio na equação de Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log₁₀([A⁻]/[HA]). A equação é exata para o equilíbrio que descreve - não é uma aproximação, embora sua utilidade seja maior quando as concentrações do tampão são muito maiores do que a quantidade de H⁺ ou OH⁻ realmente presente na solução.
Por que os tampões funcionam melhor perto de pH = pKa
Quando [A⁻] e [HA] são iguais, o termo logarítmico é zero e o pH é igual a pKa exatamente - este é o ponto de capacidade máxima do buffer, porque há muitas formas ácidas e básicas disponíveis para absorver um H⁺ ou OH⁻ que chega. À medida que a proporção se afasta de 1:1, o tampão ainda resiste à mudança de pH, mas de forma menos eficaz, porque uma das duas espécies começa a diminuir. A regra prática é que um tampão é considerado eficaz dentro de cerca de uma unidade de pH de seu pKa (uma proporção base:ácido de 10:1 a 1:10) - fora dessa faixa, pequenas adições de ácido ou base causam variações desproporcionalmente grandes de pH.
Escolhendo o tampão certo para um pH alvo
Como o buffer eficaz abrange apenas aproximadamente pKa ± 1, a primeira etapa no projeto de um buffer é escolher um ácido fraco cujo pKa esteja próximo do pH necessário. O acetato (pKa 4,76) é adequado para condições levemente ácidas; o fosfato (pKa 7,21) é adequado para pH quase neutro, como muitas aplicações biológicas; bicarbonato (pKa 6,1) e amônia (pKa 9,25) cobrem outras faixas comuns. Uma vez escolhido o ácido, a equação de Henderson-Hasselbalch fornece a proporção exata de base:ácido necessária para atingir o pH alvo.
Limites da equação
A equação de Henderson-Hasselbalch assume um comportamento ideal e funciona melhor nas faixas de concentração moderada típicas de tampões de laboratório (aproximadamente 0,01–1 M). Ele não leva em consideração os efeitos da força iônica, a dependência do pKa com a temperatura ou o esgotamento da capacidade do buffer totalmente fora de sua faixa efetiva. Para soluções muito diluídas, ambientes iônicos muito fortes ou ácidos polipróticos com valores de pKa sobrepostos, podem ser necessários cálculos de equilíbrio mais detalhados.