Capacidad de Amortiguamiento

¿Qué es la capacidad tampón?

Empecemos por definir qué son los tampones . Los tampones son soluciones capaces de resistir los cambios de pH cuando se les añaden pequeñas cantidades de ácidos o bases. Las soluciones tampón se obtienen mediante la combinación de un ácido débil y su base conjugada, o de una base débil y su ácido conjugado.

Según la definición de Bronsted-Lowry de ácidos y bases, los ácidos son sustancias que pueden donar un protón, mientras que las bases son sustancias que pueden aceptar un protón.

• Un ácido conjugado es una base que ha ganado un protón, y una base conjugada es un ácido que ha perdido un protón.

$$HA+H_{2}O\rightleftharpoons H^{+}+A^{-}$$

Los tampones pueden caracterizarse por su rango y su capacidad.

Cuando la concentración de los componentes del tampón es la misma, el pH será igual al_pKa. Esto es muy útil porque, cuando los químicos necesitan un tampón, pueden elegir el tampón que tenga una forma ácida con el _pKa próximo al pH deseado. Normalmente, los tampones tienen un intervalo de pH útil = _pKa ± 1, pero cuanto más se acerque al pKa del ácido débil, ¡mejor!

Fig. 1: Predicción del pH de un tampón, Isadora Santos - StudySmarter Original.

Para calcular el pH de un tampón, podemos utilizar la Ecuación de Henderson-Hasselbalch.

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

Donde

• pKa_es el logaritmo negativo de la constante de equilibrio_Ka.
• [^A- ] es la concentración de la base conjugada.
• [HA ] es la concentración del ácido débil.

¡Veamos un ejemplo!

Supongamos ahora que tenemos una solución tampón de 1 L con un pH de 6. A esta solución, decides añadir HCl. Cuando añades por primera vez algunos moles de HCl, puede que no se produzca ningún cambio en el pH, hasta que llega un momento en que el pH de la solución cambia en una unidad, de pH 6 a pH 7. La capacidad de un tampón para mantener constante el pH tras la adición de un ácido o una base fuertes se conoce como capacidad tampón.

La capacidad tampón depende de la cantidad de ácido y base utilizados para preparar el tampón. Por ejemplo, si tienes una solución tampón de 1 litro hecha de 1 M _CH3COOH/1M _CH3COONay una solución tampón de 1 litro que es 0,1 M _CH3COOH/0,1 M _CH3COONa, aunque ambas tendrán el mismo pH, la primera solución tampón tendrá una mayor capacidad tampón porque tiene una mayor cantidad de _CH3COOHy ^CH3COO-.

• Cuanto más similar sea la concentración de los dos componentes, mayor será la capacidad tampón.

• Cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de los dos componentes, mayor será el cambio de pH que se produce al añadir un ácido o una base fuerte.

La capacidad tampón también depende del pH del tampón. Las soluciones tampón con un pH igual al valor pKa del ácido (pH = pKa) tendrán la mayor capacidad tampón (es decir, la capacidad tampón es mayor cuando [HA] = [^A-])

Determinación de la capacidad tampón

Ahora sabemos que la capacidad tampón de una solución depende de la concentración de los componentes ácido conjugado y base conjugada de la solución, y también del pH del tampón.

Un tampón ácido tendrá una capacidad tampón máxima cuando:

1. Las concentraciones de HA y ^A- son grandes.

2. [HA] = [^A-]

3. El pH es igual (o muy próximo) al _pKa del ácido débil (HA) utilizado. Intervalo de pH efectivo = _pKa ± 1.

¡Vamos a resolver un problema!

Ecuación de la capacidad tampón

Podemos utilizar la siguiente ecuación para calcular la capacidad tampón, β.

$$Capacidad de buffer\ (\beta )=\left | \frac{\Delta n}{\Delta pH} |derecha |$$

Donde

• Δn = cantidad (en mol) de ácido o base añadida a la solución tampón.
• ΔpH = cambio en el pH causado por la adición del ácido o la base (pH final - pH inicial)

Otra ecuación que se observa en la capacidad tampón es la ecuación de Van Slyke. Esta ecuación relaciona la capacidad tampón con la concentración del ácido y su sal.

$$Máxima capacidad tampón (\beta )=2,3C_{total}frac{Ka\cdot [H_{3}O^{+}]}{[Ka+[H_{3}O^{+}]]^{2}}$$

donde

• C es la concentración tampón. _Ctotal = C _ácido + C _{conj base}

• [^H3O+] es la concentración de iones hidrógeno del tampón.

• _Ka es la constante del ácido.

Cálculo de la capacidad tampón

Supongamos que nos dan una curva de valoración. ¿Cómo podemos hallar la capacidad tampón basándonos en una curva de valoración? La capacidad tampón será máxima cuando pH = _pKa, lo que ocurre en el punto de equivalencia media.

Como ejemplo, veamos la curva de valoración de 100 mL de ácido acético 0,100 M que se ha valorado con NaOH 0,100 M. En el punto de equivalencia a la mitad, la capacidad tampón (β) tendrá un valor máximo.

Ejemplos de capacidad tampón

El sistema tampón del bicarbonato tiene un papel esencial en nuestro organismo. Es responsable de mantener el pH de la sangre cerca de 7,4. Este sistema tampón tiene un pK de 6,1, lo que le confiere una buena capacidad amortiguadora.

Si se produce un aumento del pH sanguíneo, se produce alcalosis, que provoca embolia pulmonar e insuficiencia hepática. Si disminuye el pH sanguíneo, puede producirse acidosis metabólica.