Cuando se aplican unas pocas gotas de un ácido o base fuerte al agua, la concentración de iones de hidrógeno cambia por completo. En muchas operaciones industriales, químicas y biológicas, es necesario tener una solución cuyo valor de pH no cambie significativamente cuando se agregan pequeños volúmenes de ácidos fuertes y bases fuertes. Muchos fluidos, como la sangre, tienen valores de pH específicos y las variaciones en estos valores indican que el cuerpo no funciona correctamente. El control del pH también es crucial en una amplia gama de actividades químicas y biológicas. Para la fabricación y el uso de muchos productos médicos y cosméticos, se requiere un pH específico. Las soluciones tampón son como se llaman estas soluciones.
¿Qué es la solución tampón?
Una solución tampón es una solución que resiste los cambios en la concentración de iones de hidrógeno cuando se agrega una cantidad modesta de ácido o base. En otras palabras, se sabe que tales soluciones tienen acidez inversa y basicidad inversa y mantienen un valor de pH razonablemente estable. Un buen ejemplo de una solución amortiguadora natural es la sangre humana. A pesar de comer una amplia variedad de comidas, nuestra sangre mantiene un pH de aproximadamente 7,35.
La solución tampón es una solución a base de solvente a base de agua compuesta por un ácido débil y su base conjugada, o una base débil y su ácido conjugado. Son resistentes a los cambios de pH provocados por la dilución o la adición de cantidades relativamente pequeñas de ácido o álcali. Cuando se agrega una pequeña cantidad de ácido fuerte o base fuerte, el pH de la solución amortiguadora cambia muy poco. Como resultado, están acostumbrados a mantener un pH constante. Cuando se le da una pequeña cantidad de ácido o base fuerte, su pH varía muy poco y, por lo tanto, se usa para mantener estable el pH de una solución.
Una solución tampón es aquella que puede mantener su concentración de iones de hidrógeno (pH) con solo una ligera dilución o la adición de una pequeña cantidad de ácido o base. La fermentación, la conservación de alimentos, la administración de medicamentos, la galvanoplastia, la impresión, la actividad enzimática y la capacidad de transporte de oxígeno en la sangre requieren concentraciones particulares de iones de hidrógeno (pH) en las soluciones tampón. Las soluciones tampón están formadas por un ácido débil y su base conjugada o una base débil y su ácido conjugado que pueden mantener el pH.
Tipos de solución tampón
Los tampones ácidos y básicos son los dos tipos de soluciones tampón que se clasifican ampliamente. Estos se discuten con mayor profundidad a continuación.
- Tampones ácidos: las soluciones tampón ácidas se componen de cantidades equimolares de un ácido débil y su sal, así como de una base fuerte. Estas soluciones se utilizan para mantener el medio ambiente ácido. El tampón ácido se fabrica combinando un ácido débil y su sal con una base fuerte para crear un pH ácido. El pH de una solución acuosa que contiene la misma cantidad de ácido acético y acetato de sodio es 4,74. Además, el pH de estos líquidos es inferior a siete. Estas soluciones están formadas por un ácido débil y su sal.
- Amortiguadores básicos: una base débil y su sal son equimolares con un ácido fuerte en una solución amortiguadora básica. Estas soluciones tampón se emplean para mantener las condiciones básicas. Para generar un tampón básico con un pH básico, se combinan una base débil y su sal con un ácido fuerte. Una solución acuosa de partes iguales de hidrrust de amonio y cloruro de amonio tiene un pH de 9,25. Estas soluciones tienen un pH superior a siete. Contienen una base débil y una sal de base débil.
Preparación de la solución tampón: se puede preparar una solución tampón controlando la proporción de sal ácida o sal base si se conocen las constantes de disociación del ácido (pKa) y la base (pKb). Para hacer estas soluciones se utilizan bases débiles y sus ácidos conjugados, o ácidos débiles y sus respectivas bases conjugadas. La ecuación de Handerson-Hasselbalch y la preparación de tampones ácidos y tampones básicos.
Ecuación de Henderson-Hasselbalch
Preparación de tampón ácido
En una solución tampón ácida con una base fuerte (KOH), considere un ácido débil (HA) y su sal (KA). El ácido débil (HA) se ioniza y el equilibrio es el siguiente:
H 2 O + HA ⇋ H + + A –
La constante de disociación ácida es,
Ka = ([H + ] [A – ])/[HA]
El RHS y LHS toman registros negativos:
-log Ka = -log [H + ] – log ([A – ]/[HA])
pKa = pH – log ([sal]/[ácido] )
pH = pK a + log ([sal]/[ácido])
pH de la solución tampón ácida = pK a + ([sal]/[ácido])
La ecuación de Henderson-Hasselbalch a veces se conoce como la ecuación de Henderson.
Preparación de tampón base
Considere una solución amortiguadora básica con ácido fuerte, que tiene sal (BA) y una base débil (B).
Como resultado, la solución amortiguadora básica será,
pOH = pKb + log ([sal]/[base])
pOH de una solución tampón básica = pK b + log ([sal]/[ácido])
pH de una solución tampón básica = pK a – log ([sal]/[ácido])
Mantenimiento del pH
Considere el caso de una solución tampón que contiene acetato de sodio y ácido acético para comprender mejor cómo las soluciones tampón mantienen un pH constante. Vale la pena señalar que el acetato de sodio está virtualmente totalmente ionizado en este ejemplo, pero el ácido acético está ligeramente ionizado. Las siguientes son las reacciones de equilibrio:
CH 3 COOH ⇌ H + + CH 3 COO –
CH 3 COONa ⇌ Na + + CH 3 COO –
Cuando se suministran ácidos fuertes, los iones H + se combinan con los iones CH 3 COO – para formar un ácido acético débilmente ionizado, lo que hace que el pH del entorno cambie de manera insignificante. Cuando se agregan sustancias muy alcalinas a esta solución tampón, los iones de hidrrust reaccionan con los ácidos libres en la solución para producir moléculas de agua, como se ve en la siguiente reacción.
CH 3 COOH + OH – ⇌ CH 3 COO – + H 2 O
Como resultado, los iones de hidrrust se combinan con el ácido para crear agua, manteniendo constante el pH.
Usos de soluciones amortiguadoras
- Las soluciones tampón se conocen con varios nombres diferentes, incluidos tampones de pH y tampones de iones de hidrógeno.
- Muchos organismos emplean soluciones amortiguadoras para mantener un pH óptimo para la actividad enzimática.
- El uso de un sistema tampón de bicarbonato y ácido carbónico para controlar el pH de la sangre animal es un ejemplo de un tampón utilizado en la regulación del pH.
- La función de la enzima puede verse obstaculizada, las características pueden perderse o las enzimas pueden incluso desnaturalizarse si ciertos tampones no están presentes. La función catalítica de las enzimas puede desactivarse por completo mediante este proceso de desnaturalización.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Cuál es la limitación de la ecuación de Henderson-Hasselbalch?
Responder:
La ecuación de Henderson-Hasselbalch no es aplicable a ácidos fuertes y bases fuertes.
Pregunta 2: ¿Qué es la capacidad de amortiguamiento?
Responder:
La capacidad amortiguadora es el número de milimoles de ácido o base que se le debe dar a un litro de solución amortiguadora para ajustar el pH en una unidad.
Pregunta 3: ¿Qué es una acción amortiguadora?
Responder:
La capacidad de una solución amortiguadora para soportar cambios en el pH cuando se agrega una pequeña cantidad de ácido o base se conoce como acción amortiguadora.
Pregunta 4: Calcular el pH de una solución tampón que contiene 0,2 moles de NH 4 Cl por litro y 0,1 moles de NH 4 OH. NH 4 OH tiene un Kb de 1,85 × 10 -5 .
Responder:
De acuerdo con la ecuación de Henderson,
pOH = pKb + log ([sal]/[ácido]) ……… (1)
Ahora pKb = -log(Kb) = -log(1.85×10 -5 ) = 4.733
Dado que la solución tampón contiene 0,2 moles de NH 4 Cl por litro, es decir, 0,2 moles de sal y 0,1 moles de NH 4 OH por litro, es decir, 0,1 moles de base. Entonces, al sustituir todos los valores en la ecuación (1), obtenemos
pOH = 4,7333+ log ((0,2)/(0,1))
= 4,733 + 0,301
= 5.034
Por lo tanto,
pH = 14 – pOH
pH = 14 – 5.034
pH = 8,966
Pregunta 5: ¿Cuáles son los beneficios de las soluciones amortiguadoras?
Responder:
Cuando se agrega un componente ácido o básico, un tampón es una solución que puede tolerar el cambio de pH. Tiene la capacidad de neutralizar pequeñas cantidades de ácido o base adicional, lo que permite que el pH de la solución se mantenga estable. Esto es crítico para procesos y reacciones que requieren rangos de pH específicos y estables.
Pregunta 6: ¿Cuál es el significado de la ecuación de Handerson-Hasselbalch?
Responder:
La ecuación de Handerson-Hasselbalch se puede utilizar para
- Determine el pH del tampón hecho de sal y una mezcla débil de ácido/base.
- Determine el valor de pKa.
- Producir una solución tampón con el pH requerido.