Buffers

Ácidos, bases y tampones

Puede que te estés preguntando qué son los tampones. Un tampón tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se le añade un ácido o una base.

Para comprender mejor el significado de los tampones, refresquemos nuestros conocimientos sobre ácidos y bases examinando sus definiciones. Los ácidos y las bases tienen distintas definiciones, creadas por distintos químicos y basadas en propiedades diferentes.

Los ácidos y las bases de Arrhenius pueden dividirse en función de cómo se disocian en el agua. Los ácidos y bases fuertes se disocian completamente en el agua, mientras que los ácidos y bases débiles se disocian parcialmente en el agua.

Importancia de los tampones en química

Los tampones son muy importantes en química porque muchas reacciones químicas son sensibles al pH, lo que significa que sólo pueden producirse (favorablemente) en un estrecho intervalo de pH.

Por ejemplo, la mayoría de los organismos acuáticos pueden sobrevivir dentro de un intervalo de pH de 6,5 - 8, y un pH fuera de este intervalo provocaría resultados negativos, como una disminución de la reproducción, la aparición de enfermedades e incluso la muerte. Los cambios de pH también pueden afectar al estado químico de contaminantes como el cobre y el amoníaco, provocando un aumento de la toxicidad para la vida acuática.

En nuestro cuerpo, el pH sanguíneo tiene que estar lo más cerca posible de 7,4, y cualquier cambio en el pH que lo haga subir o bajar podría provocar la muerte. Por eso, nuestro plasma sanguíneo contiene tampones para mantener constante el pH de la sangre y evitar que se vuelva demasiado ácido o básico.

Ejemplos de tampones

• El ácido carbónico, _H2CO3, es un ácido débil que se disocia en el agua y forma iones ^H+ e iones ^HCO3-. Un ejemplo de tampón común es una solucióntampón ^H2CO3/HCO3- . Este sistema tampón ácido débil/base conjugada es muy importante para nuestro organismo porque mantiene nuestra sangre a un pH adecuado de alrededor de 7,4. Se trata de un tampón aproximadamente neutro, ya que tiene un pH superior a 7.
• Otro tampón habitual sería el tampón acetato de sodio/ácido acético. Lo utilizan a menudo los químicos en el laboratorio, ya que es un tampón ligeramente ácido. Funciona entre un pH de 3,6-5.
• Por último, veamos un tampón realmente básico; un tampón carbonato sódico/bicarbonato sódico funcionaría en torno a un pH de 10.

Tipos de tampones

En primer lugar, hablemos de la composición de un tampón. Los tam pones se componen de

• Un ácido débil + su base conjugada.

• Una base débil + su ácido conjugado.

Una solución tampón puede ser ácida o básica. La función principal de un tampón es mantener aproximadamente igual la concentración de iones hidrógeno (^H+) e hidróxido (^OH-), a pesar de la adición de sustancias ácidas o básicas.

Al crear un tampón, la proporción ideal de ácido débil/base conjugada o base débil/ácido conjugado es de 1 a 1. Tener una proporción de 1 a 1 permite que el tampón tenga la máxima capacidad tampón, es decir, la mayor resistencia a los cambios de pH.

Tampones ácidos

Los tamponesácidos son soluciones tampón compuestas por un ácido débil y su base conjugada.

Utilicemos como ejemplo el HF, un ácido débil (supermortal). Si quisiéramos hacer una solución tampón que contuviera ácido fluorhídrico, tendríamos que utilizar HF y su base conjugada, el anión fluoruro. Pero, ¿cómo se añadiría el fluoruro?

Normalmente, los ácidos/bases conjugados se añaden a la solución en forma de sales. En este caso, se podría utilizar una sal soluble como el fluoruro sódico, ya que el catión sodio no tendría ningún impacto en la solución(es un catión despreciable). Por tanto, haciendo una solución que contenga HF y fluoruro sódico, ¡podríamos crear un tampón HF/NaF!

Los tampones evitan la formación de grandes cantidades de ^H+ y OH- ^cuando se añaden ácidos o bases. Por tanto, si añades un ácido o una base fuertes al agua que contiene un tampón, los ácidos no reaccionarán con el agua, sino que reaccionarán con el tampón y no causarán un gran efecto en el pH de la solución.

Añadir un ácido a un tampón ácido

Normalmente, cuando se añade un ácido al agua, se disocia y forma iones ^H+. Esto disminuye el pH de una solución. Pero, cuando se añade un ácido al agua que contiene un tampón ácido, los protones (^iones H+) del ácido reaccionarán con los aniones (^A-) formados por la ionización de la sal y formarán el ácido débil HA.

$H^{+}\left(aq\right)+A^{-}\left(aq\right)\underset{}{\underset{}{\rightleftharpoons }}HA\left(aq\right)$

Volvamos a nuestro ejemplo del tampón ^HF/F-.

Cuando se añade un ácido a una solución acuosa que contiene ^{un t} ampón HF/F-, el anión flúor (^F-) del tampón reaccionará con los iones hidrógeno del ácido y formará HF.

• El ^F- reacciona con el ácido porque se considera que el ^F- es mejor base que el agua y, por tanto, actuará como aceptor de protones en lugar del agua.

Añadir una base a un tampón ácido

Cuando se añade una base al agua, forma ^iones OH- que provocan un aumento del pH de la solución. Pero, cuando en la solución hay un tampón, los ioneshidróxido (^OH-) reaccionarán con el ácido débil de la solución tampón en lugar de reaccionar con el agua, formando agua e iones ^A-.

$$OH^{-}_{(aq)}+HA_{(aq)}\rightleftharpoons H_{2}O_{(l)}A^{-}_{(aq)}$$

Así pues, cuando se añade una base a una solución acuosa que contiene un tampón ácido ^HF/F-, el HF reaccionará con los iones ^OH- y formará en su lugar iones ^F-.

• El HF actúa como ácido (donante de ^H+ ) en lugar de del agua, ¡porque el HF es mejor ácido que el agua!

El _pKa de los tampones ácidos

Cuando trates con tampones ácidos, necesitarás saber cuál es su pKa o _Ka para poder calcular el pH de una solución tampón. Sin embargo, si tienes una relación uno a uno de tampón ácido débil/base conjugada, entonces el pH del tampón será igual a su pKa_.

El_{pKa de} un tampón también nos indica el intervalo de pH de un tampón. Por ejemplo, el _CH3COOHtiene un pKa de 4,8, por lo que su rango tampón estaría entre 3,8 y 5,8 (± 1 unidad de pH).

Tampones básicos

Lostampones básicos son soluciones tampón compuestas por una base débil y su ácido conjugado.

¿Cómo se hace una solución tampón que contenga una base débil? Para hacer un tampón utilizando una base débil, tenemos que mezclarla con su ácido conjugado.

^Por ejemplo, para hacer un tampón utilizando NH3_, necesitaríamos añadir su base conjugada _NH4+añadiendo ion amonio mezclado con la base conjugada insignificante de un ácido fuerte. Así, podríamos añadir _NH4Cl, _NH4Br, _NH4Iy otros al _NH3 para hacer una solución tampón.

Añadir un ácido a un tampón básico

Supongamos que tenemos un tampón base débil/ácido conjugado que contiene NH3_y su ácido conjugado, ^NH4+. Si añadiéramos ácido a este tampón, ¿qué crees que ocurriría? Si has adivinado que los iones ^H+ del ácido reaccionarían con el NH3_para formar el ion amonio (^NH4+), ¡estás en el buen camino!

$$NH_{3\(aq)}+H^{+}\rightleftharpoons NH_{4(aq)}^{+}$$

Al hacer que los ^H+ reaccionen con el amoníaco en lugar de con el agua, el tampón impide la formación de iones ^H+ en el agua y, por tanto, mantiene un pH constante.

• Si no hubiera un tampón para mantener el pH tras la adición de un ácido, el pH disminuiría debido al aumento de la concentración de iones hidrógeno en el agua.

Añadir una base a un tampón básico

Por otra parte,si añadiéramos una base al tampón ^NH3/NH4+, los iones ^OH- de la base reaccionarían con el ion amonio del tampón para formar _NH3 y _H2O.

$$NH_NH_{4(aq)}^{+}+OH^{-}_{(aq)}\rightleftharpoons NH_{3\ (aq)}+H_{2}O_{(l)}$$

Del mismo modo, al reaccionar el ^OH- con el ^NH4+ en lugar de con el agua, el tampón impide la formación de más iones ^OH- en el agua, evitando que el pH aumente/se vuelva más básico.

La ecuación de las soluciones tampón

Antes de sumergirnos en los cálculos de tampones, repasemos los conceptos básicos de_{Ka. Ka} es la constante de equilibrio de la disociación de un ácido débil (AH).

$$HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^{+}_{(aq)}+A^{-}_{(aq)}$$

_Ka puede calcularse utilizando la expresión de equilibrio. En este caso será así

$$K_{a}=\frac{[products]}{[reactants]}=\frac{[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}$$

Reorganizar esta expresión para hallar el H+ es bastante fácil, queda así

$$K_{a}\cdot \frac{[HA]}{[A^{-}]}=[H^{+}]$$

Ahora podemos resolver fácilmente la concentración de iones de hidrógeno, pero sería mejor resolver el pH, ¿no? Así que tomemos el logaritmo negativo de ambos lados. ¡Recuerda que el pH es sólo -log(H+) y el pKa es -log(Ka)!

$$pH=-log([H^{+}])=-log(Ka\cdot \frac{[HA]}{[A^{-}]})=-log(Ka)-log(\frac{[HA]}{[A^{-}]})=pKa+log\frac{[A^{-}]}{[HA]}$$

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Veamos ahora una ecuación relacionada con los tampones. Cuando tratamos con tampones podemos utilizar la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se da a continuación. Es importante saber que sólo podemos utilizar esta ecuación cuando tenemos tanto un ácido débil como su base conjugada en la solución.

$$pH=pKa+log\frac{[A^{-}]}{[HA]}$$

¡Veamos un ejemplo!

Ahora que has aprendido más sobre los tampones, ¡podrás enfrentarte a muchos otros problemas en los que intervengan!