I tamponi sono sistemi acquosi che resistono alle variazioni di pH quando vengono aggiunte piccole quantità di acido o base e sono composti da un acido debole e dalla sua base coniugata. Un tampone mantiene costante il pH di una soluzione assorbendo i protoni che vengono rilasciati durante le reazioni o rilasciando i protoni quando vengono consumati dalle reazioni. La scoperta che le soluzioni parzialmente neutralizzate di acidi o basi deboli sono resistenti alle variazioni di pH, quando vengono aggiunte piccole quantità di acidi o basi forti, ha portato al concetto di "tampone".

Una base coniugata è un acido che ha perso un protone.
HA  ↔  H⁺ + A^-
Protone acido  ↔  + base coniugata

Un acido coniugato è una base che ha guadagnato un protone.
A + H^{+ H+}  ↔  A
Acido coniugato base + protone  ↔  

Si stabilisce un equilibrio tra la forma dissociata e quella non dissociata.
Ad esempio, l'acido acetico debole si dissocia parzialmente in acqua producendo uno ione acetato:
CH₃COOH  ↔  H⁺ + CH₃COO^-
L'acido acetico non dissociato, gli ioni idrogeno e lo ione dissociato esistono in equilibrio in soluzione.

L'acetato di sodio si dissocia anche in acqua per produrre lo stesso ione acetato:
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
L'acetato di sodio non dissociato e gli ioni di sodio e acetato esistono in equilibrio in soluzione.

Una soluzione acquosa di una miscela di acido acetico e acetato di sodio può quindi assorbire gli ioni H⁺ dall'aggiunta di un acido attraverso la combinazione degli ioni idrogeno con la base acetata per produrre acido acetico. Inoltre, quando gli ioni OH^- vengono introdotti nella soluzione attraverso l'aggiunta di un alcali, si combinano con molecole acide (H⁺) per produrre acqua. In questo modo, mentre il sistema tenta di ripristinare l'equilibrio, la soluzione resiste alle variazioni del valore del pH. Ecco come funziona una soluzione tampone.

Cosa succede dopo aver aggiunto acido al tampone?

Quando un acido forte (più H+) viene aggiunto a una miscela di equilibrio dell'acido debole e della sua base coniugata, l'equilibrio viene spostato a sinistra, in accordo con il principio di Le Chatelier.

Cosa succede dopo aver aggiunto una base al buffer?

Allo stesso modo, se alla miscela viene aggiunta una base forte, la concentrazione di ioni idrogeno diminuisce di meno della quantità prevista per la quantità di base aggiunta. Questo perché la reazione si sposta verso destra per compensare la perdita di H⁺ nella reazione con la base.

Le soluzioni  standard costituite da un acido debole e dalla sua base coniugata sono note come tamponi acidi e hanno un pH < 7. Un tampone a base di acido acetico (acido debole) e acetato di sodio (base coniugata) è un tampone acido e ha un pH di circa 4,75.
Le soluzioni standard  costituite da una base debole e dal suo acido coniugato sono note come tamponi alcalini e hanno un pH > 7. Un esempio di tampone alcalino è una soluzione acquosa di idrossido di ammonio (base debole) e cloruro di ammonio (acido coniugato) che ha un pH di 9,25.

Le soluzioni tampone funzionano meglio quando il loro pH è simile a quello del sistema o della soluzione oggetto di indagine. Nello studio degli enzimi in biologia umana, è necessario un sistema che corrisponda al pH del sangue, cioè da 7,35 a 7,45, altrimenti gli enzimi non funzioneranno correttamente. Se il sistema tampone ha un pH al di fuori dell'intervallo desiderato, anche questo avrà un impatto negativo sulle analisi.

È quindi necessario essere in grado di preparare soluzioni tampone di un pH specifico e questo può essere fatto in diversi modi:

• Regolazione del pH
  L'acido cristallino o base viene prima disciolto in un volume di acqua pari a circa il 60-70% del volume finale richiesto di soluzione tampone. Il pH viene testato e poi regolato. Se si utilizza un acido cristallino, il pH viene regolato utilizzando una base che non genererà ioni che potrebbero interferire con il sistema in esame. Se si utilizza una base cristallina, il pH viene regolato utilizzando un acido adatto. Una volta raggiunto il pH desiderato, il volume della soluzione tampone può essere rabboccato con acqua per ottenere il volume richiesto.
  
  
• Miscelazione di soluzioni acide e basiche
  In questo metodo, una soluzione dell'acido o della base viene mescolata con una soluzione del sale associato. Le concentrazioni delle soluzioni di partenza devono essere uguali a quelle della soluzione tampone richiesta. Le soluzioni possono essere miscelate in rapporti variabili per ottenere valori di pH diversi nella soluzione tampone finale. In alternativa, il pH può essere monitorato aggiungendo una soluzione all'altra.
  
  
• Utilizzo dell'equazione di Henderson-Hasselbach
  L'equazione di Henderson-Hasselbach può essere utilizzata per stimare il pH di una soluzione tampone utilizzando la costante di dissociazione, pK_a. Quando un acido debole (HA) è in soluzione e la dissociazione in ioni idrogeno (H⁺) e la sua base coniugata (A^-) è in equilibrio, la costante di dissociazione è una misura della forza dell'acido in questo punto di equilibrio. L'equazione di Henderson-Hasselbach è la seguente: 



Dove: pKa è la costante di dissociazione dell'acido debole
[A-] è la concentrazione della base coniugata all'equilibrio
[HA] è la concentrazione dell'acido all'equilibrio

Nel caso in cui la concentrazione all'equilibrio della base coniugata e dell'acido sia la stessa, il pH diventa uguale alla costante di dissociazione. A questo punto, la soluzione buffer fornisce la massima capacità di buffering.
L'equazione di Henderson-Hasselbach viene utilizzata anche per determinare la costante di dissociazione degli acidi deboli attraverso la misurazione diretta del pH

Le soluzioni tampone universali sono costituite da una combinazione di diverse coppie acido-base. Ciò consente ai tamponi universali di mantenere il valore di pH di una soluzione in un intervallo più ampio e possono quindi essere utilizzati in molte altre applicazioni.

• Creare una SOP di preparazione del buffer
  È una buona idea documentare il processo di preparazione del tampone ed essere sicuri che tutti seguano la stessa procedura per garantire coerenza e riproducibilità. La SOP dovrebbe includere i dettagli dei materiali utilizzati e i passaggi precisi di quando e come aggiungere i componenti e misurare il pH. La SOP può anche includere molti dei punti menzionati di seguito.
  
  
• Indossare indumenti protettivi
  È necessario indossare dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati, ad esempio occhiali e indumenti protettivi, soprattutto quando si lavora con acidi o basi forti.
  
  
• Verificare la presenza di contaminazioni microbiche (soprattutto nelle applicazioni biologiche)
  Prima di utilizzare qualsiasi tampone, controllare il contenitore per verificare la presenza di contaminazioni microbiche. Le soluzioni tampone con un pH vicino alla neutralità sono particolarmente suscettibili alla contaminazione. Potresti notare un po' di torbidità nella soluzione o contaminanti che si sono depositati sul fondo.
  
  
• Usa correttamente il tuo pHmetro
  Il pHmetro deve essere regolarmente tarato e sottoposto a manutenzione per garantire misure di pH accurate. L'elettrodo deve essere adeguatamente preparato prima dell'uso e deve essere utilizzata una quantità sufficiente di soluzione tampone per garantire che la giunzione dell'elettrodo sia correttamente sommersa. Assicurarsi di attendere un valore di pH stabile prima di eseguire la lettura e sciacquare l'elettrodo con acqua distillata in seguito. Assicurati di utilizzare il tuo pHmetro a temperatura ambiente o di utilizzare un elettrodo con sonda di temperatura integrata.
  
  
• Prestare attenzione alla temperatura
  La quantità di dissociazione può variare con la temperatura. La soluzione tampone deve quindi essere preparata alla stessa temperatura alla quale verranno eseguite le analisi. Assicurarsi inoltre che la temperatura alla quale si calibra l'elettrodo sia la stessa della temperatura alla quale si misura.
  
  
• Prestare attenzione alla concentrazione
  È pratica comune diluire le soluzioni tampone madre alla concentrazione richiesta per l'uso nelle analisi. Tuttavia, la modifica della concentrazione può influire sulla quantità di dissociazione. Poiché il pH è una misura degli ioni idrogeno (H⁺), un cambiamento nella dissociazione può causare un cambiamento nel pH. Dopo la diluizione, il pH deve essere ricontrollato prima di utilizzare il tampone.