De la ChemPRIME

Băuturi răcoritoare și tampoane

soluții


Până acum ați aflat despre pH în soluții în care fie un singur acid, cum ar fi acidul citric, fie o singură bază, cum ar fi ionul citrat au fost adăugate în apă. Acum, să luăm în considerare soluțiile preparate atât cu un acid, cât și cu o bază. Cel mai simplu caz al unei astfel de soluții apare atunci când acidul și baza sunt conjugate între ele și sunt, de asemenea, prezente în cantități comparabile. Soluțiile de acest tip special sunt numite soluții tampon deoarece este dificil să-și schimbe pH-ul chiar și atunci când se adaugă o cantitate apreciabilă de acid puternic sau bază puternică.


De ce sunt importante soluțiile tampon în alimente?

Soluțiile tampon în alimente joacă un rol important în menținerea valorilor specifice ale pH-ului pentru o activitate optimă a enzimelor, solubilitatea proteinelor și funcționalitatea. După cum sa discutat în exemplele anterioare, pH-ul poate modifica și culoarea și aroma alimentelor și este un factor critic în conservarea multor alimente procesate. Soluțiile tampon sunt, de asemenea, utilizate ca mediu de reacție în producția de ingrediente alimentare și aditivi. Controlul general al pH-ului este un factor major în menținerea stabilității fizice, chimice și microbiologice a alimentelor.

Alimentele conțin numeroși compuși capabili să formeze sisteme de tamponare. Moleculele cu proprietăți acid-bazice găsite în mod natural în alimente includ aminoacizi, acizi organici, proteine ​​și polizaharide încărcate. Alte sisteme de tamponare sunt adăugate în mod intenționat alimentelor procesate, exemple dintre acestea sunt acizii slabi discutați în pH-ul acizilor slabi din alimente și bazele lor conjugate corespunzătoare.


Cum calculăm pH-ul soluțiilor tampon?

Ca exemplu de soluție tampon, să luăm în considerare soluția obținută atunci când se adaugă 3,00 mol acid acid citric (H3C6H5O7) și 2,00 mol citrat monosodic (NaH2C6H5O7) la suficientă apă pentru a produce o soluție de volum total 1 dm³. Concentrația stoichiometrică a acidului citric, și anume, cA, este apoi 3,00 mol dm –3, în timp ce concentrația stoichiometrică a citratului de sodiu, cb, este de 2,00 mol dm –3. Ca rezultat al amestecării celor două componente, unele din acidul citric, să zicem X mol dm –3, este transformat în ion citrat și ion hidroniu. Acum putem întocmi un tabel pentru a găsi concentrațiile de echilibru în mod obișnuit.


Acum putem substitui concentrațiile în expresia de echilibru



din care obținem


. (1)


Pentru a rezolva această ecuație, facem aproximarea că x este neglijabil de mic în comparație cu ambele 2.00 și 3.00, adică doar o fracțiune mică de acid citric s-a transformat în ion citrat. Atunci avem


sau

De cand X este doar 0,1 la sută din 2,00 sau 3,00, aproximarea este valabilă și nu este necesar să se obțină oa doua aproximare prin hrănire X înapoi în ecuație. (1). Putem astfel concluziona că


și


Acest exemplu demonstrează două caracteristici evidente:


1 Când acidul și baza sa conjugată sunt amestecate, foarte puțin din acid este transformat în bază sau invers. (X este mic comparativ cu 2.00 și 3.00.)

2 Într-un amestec tampon, concentrația de ioni de hidroniu și concentrația de ioni de hidroxid sunt mici în comparație cu concentrațiile de acid și bază conjugată. [H3O +] = 2,7 × 10 –5 mol dm –3; [HO -] = 3,7 × 10 –10 mol dm –3 în comparație cu [H2C6H5O7 -] = 2,00 mol dm –3 și [H3C6H5O7] = 3,00 mol dm –3)


Ecuația Henderson-Hasselbach

Presupunând că caracteristicile de mai sus sunt comune tuturor soluțiilor tampon, facilităm gestionarea acestora din punct de vedere matematic. Să analizăm acum problema generală a găsirii pH-ului unei soluții tampon care este un amestec de un acid slab HA, de concentrație stoichiometrică cA, și baza sa conjugată A -, de concentrație stoichiometrică cb. Putem rearanja expresia pentru Ka a acidului slab (ecuația 2 privind pH-ul soluțiilor de acizi slabi) după cum urmează:


(2)


Luând logaritmi negativi ai ambelor părți, obținem



(3)


Ecuația (3) se numește Ecuația Henderson-Hasselbalch și este adesea folosit de chimiști și biologi pentru a calcula pH-ul unui tampon.

Așa cum am văzut în cazul acidului citric - tampon citrat de sodiu descris anterior, concentrațiile de echilibru ale HA și A - sunt de obicei aproape identice cu concentrațiile stoichiometrice. Acesta este,

și


Putem înlocui aceste valori în ecuații. (2) și (3) pentru a obține aproximări foarte utile


(4)


și (5)

EXEMPLUL 1 Calculați pH-ul unui tampon care conține 3,93 g NaH2PO4 și 4,31 g Na2HPO4 la 450 mL de soluție

SOLUŢIE În primul rând, trebuie să calculăm concentrația atât a acidului (NaH2PO4) cât și a bazei (Na2HPO4) în soluție. Pentru NaH2PO4 avem că numărul de moli este



și concentrarea acestuia





Ceea ce înseamnă că concentrațiile de H2PO4 - și HPO4 2– sunt respectiv 7,27 x 10 –2 mol dm –3 și 7,55 x 10 –2 mol dm –3. Folosind aceste valori și un pKa2= 7,21 pentru perechea H2PO4 -/HPO4 2– (calculat din Ka2) în ecuația Henderson Hasselbach, pH-ul tamponului devine



Tampoanele de fosfat ajută la controlul pH-ului fluidelor fiziologice și sunt adesea utilizate în băuturile răcoritoare carbogazoase.

Soluții tampon și stabilitatea aditivilor alimentari

Ca dipeptidă, stabilitatea aspartamului poate fi afectată de valori extreme ale pH-ului, temperaturii și activității apei. Degradarea aspartamului generează di-peptidă aspartilfenilalanină și metanol. În unele cazuri, aspartamul poate forma mai întâi compusul ciclic diketopiperazină cu eliberarea de metanol. În cele din urmă, aspartilfenilalanina va fi hidrolizată în aspartat și fenilalanină, care prezintă un risc major pentru persoanele cu fenilcetonurie. Niciunul dintre produsele de degradare nu are un gust dulce care duce la pierderea dulceaței. [1]

Industria băuturilor răcoritoare este unul dintre cei mai importanți utilizatori de aspartam pentru fabricarea băuturilor dietetice. Având în vedere că pH-ul este un factor major care afectează stabilitatea aspartamului, este esențial să existe o modalitate de a-și menține valoarea în anumite limite pentru a asigura dulceața așteptată în produs. Un astfel de control poate fi obținut având un sistem tampon în formulare. Pentru a selecta sistemul de tampon adecvat, este necesar să se ia în considerare nu numai pH-ul țintă, ci și concentrația și compoziția chimică a tamponului, precum și interacțiunile potențiale cu alte componente din formulare.

EXEMPLUL 2 Faceți calculele pentru a pregăti un tampon care va fi utilizat la fabricarea unei băuturi răcoritoare care conține aspartam și își va păstra activitatea ca îndulcitor.

SOLUŢIE Acest tampon trebuie să aibă un pH de 3 și să fie făcut cu acid citric/citrat cu un Ka1= 1,4 x 10 –3 într-o concentrație între concentrațiile de la 0,01 la 0,1 M.


Cu aceste informații putem folosi ecuația Henderson-Hasselbach după cum urmează



Aplicarea funcției antilogaritmice pe ambele părți ale ecuației pe care o avem



Acum că avem valoarea raportului [H2C6H5O7 -]/[H3C6H5O7], trebuie să determinăm concentrațiile pentru fiecare compus. Deoarece concentrația necesară pentru tampon este 0,1, trebuie să luăm în considerare următorul echilibru


iar concentrația la echilibru pentru acidul de la bază sunt