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Transformaciones químicas · Ácidos y bases

Soluciones reguladoras (buffers)

La sangre humana mantiene su pH entre $7{,}35$ y $7{,}45$ con una precisión asombrosa, aunque el metabolismo de las células produce ácido todo el tiempo. Si el pH se corriera apenas unas décimas, las proteínas dejarían de funcionar. Ese control tan fino lo logra un sistema químico sencillo: una solución reguladora, también llamada buffer. En esta página vas a ver cómo funciona y cómo calcular su pH.

Qué es una solución reguladora y cómo funciona

Si le agregas $1\,\text{mL}$ de $\mathrm{HCl}$ $0{,}1\,\text{M}$ a $100\,\text{mL}$ de agua pura, el pH se desploma de $7$ a $3$. Si ese mismo mililitro lo agregas a una mezcla de ácido acético y acetato de sodio, el pH casi no se mueve (de $4{,}75$ a $4{,}74$). ¿Por qué ciertas soluciones amortiguan cambios tan grandes de acidez?

Esquema de una solución reguladora: el ácido HA neutraliza la base agregada y la base A⁻ neutraliza el ácido agregado HA / A⁻ en cantidades similares + base fuerte la neutraliza HA + ácido fuerte lo neutraliza A⁻

Las reacciones que ocurren son las de una neutralización común: $\mathrm{A^-} + \mathrm{H_3O^+} \to \mathrm{HA} + \mathrm{H_2O}$ cuando se agrega ácido, y $\mathrm{HA} + \mathrm{OH^-} \to \mathrm{A^-} + \mathrm{H_2O}$ cuando se agrega base. En ambos casos se consume un componente y se produce el otro, así que la relación entre ambos cambia poco.

Practica★☆☆Sin empezar
Una solución amortiguadora o tampón se compone de un ácido o base débil y su especie conjugada en concentraciones similares. A $25\,\mathrm{^\circ C}$, se preparan tres…

Una solución amortiguadora o tampón se compone de un ácido o base débil y su especie conjugada en concentraciones similares. A $25\,\mathrm{^\circ C}$, se preparan tres soluciones acuosas mezclando volúmenes iguales de las siguientes parejas de solutos, cada uno a concentración inicial $0{,}10\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$:

1) $\mathrm{CH_3COOH}$ y $\mathrm{CH_3COONa}$

2) $\mathrm{HCl}$ y $\mathrm{NaCl}$

3) $\mathrm{NH_3}$ y $\mathrm{NH_4Cl}$

  1. a) Justifica razonadamente cuáles de estas tres mezclas constituyen una solución reguladora.
  2. b) Explica qué componente de cada mezcla reguladora neutraliza una pequeña cantidad de ácido fuerte y cuál neutraliza una pequeña cantidad de base fuerte.
Resolver

La ecuación de Henderson

¿Por qué se puede usar? Porque suponemos dos cosas: (1) el ácido débil casi no se disocia, porque la base conjugada presente (efecto de ion común) desplaza el equilibrio hacia el ácido; (2) la base conjugada casi no reacciona con el agua. Entonces las concentraciones en el equilibrio son prácticamente las concentraciones con las que preparaste la solución.

Relación entre el cociente base conjugada sobre ácido y el pH según la ecuación de Henderson pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) [A⁻] = [HA] pH = pKa [A⁻] > [HA] pH > pKa [A⁻] < [HA] pH < pKa

Capacidad reguladora y sus límites

Si le vas agregando poco a poco $\mathrm{NaOH}$ a un buffer acético/acetato, el pH sube de manera casi imperceptible durante muchos mililitros. Pero llega un momento en que una sola gota más lo dispara por encima de $10$. ¿Qué límite hace que la regulación colapse de golpe?

Curva de pH en función del volumen de titulante agregado: meseta de regulación y salto brusco al agotarse el buffer zona reguladora capacidad agotada 0 base agregada pH

Reguladoras en la naturaleza y en el laboratorio

Esquema del buffer bicarbonato: los pulmones regulan el dióxido de carbono y los riñones el bicarbonato pH de la sangre 7,35 – 7,45 pulmones regulan el CO₂ riñones regulan el HCO₃⁻

Otros ejemplos de reguladoras:

  • Sangre y células: además del bicarbonato, actúa el par $\mathrm{H_2PO_4^-}/\mathrm{HPO_4^{2-}}$.

  • Océanos: el sistema $\mathrm{CO_2}/\mathrm{HCO_3^-}/\mathrm{CO_3^{2-}}$ mantiene el pH del agua de mar cerca de $8$.

  • Estómago y antiácidos: el jugo gástrico es muy ácido; un antiácido neutraliza parte del exceso con bases débiles, sin volver el medio básico.

  • Suelo: los carbonatos y la materia orgánica amortiguan la acidez, algo que importa mucho para los cultivos de café y las flores de la Sabana.

  • Industria de alimentos y textil: muchos procesos, como la fermentación del café o el teñido, solo funcionan en un rango de pH estrecho, y se usan buffers para sostenerlo.

Preparar un buffer en el laboratorio

Volviendo al principio: la sangre mantiene su pH porque los pulmones y los riñones ajustan los dos componentes de un buffer cuyo cociente base/ácido está muy cerca de $20$, y esa reserva neutraliza el ácido que el cuerpo produce.

Resumen

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