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2.17: Agua - pH, tampones, ácidos y bases

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    Objetivos de aprendizaje
    • Explicar la composición de las soluciones tampón y cómo mantienen un pH constante

    Auto-ionización del agua

    Los iones de hidrógeno se generan espontáneamente en agua pura por la disociación (ionización) de un pequeño porcentaje de moléculas de agua en números iguales de iones hidrógeno (H +) e iones hidróxido (OH —). Los iones hidróxido permanecen en solución debido a sus enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua; los iones de hidrógeno, que consisten en protones desnudos, son inmediatamente atraídos por moléculas de agua no ionizadas y forman iones hidronio (\(\ce{H3O^{+}}\)). Por convención, los científicos se refieren a los iones hidrógeno y su concentración como si estuvieran libres en este estado en agua líquida.

    \[\ce{2H2O⇋H3O^{+}  + OH^{−}}\]

    La concentración de iones hidrógeno que se disocian del agua pura es de 1 × 10 -7 moles de iones H + por litro de agua. El pH se calcula como el negativo del logaritmo base 10 de esta concentración:

    \[pH = -\log_{10}[\ce{H^{+}}]\]

    El log negativo de 1 × 10 -7 es igual a 7.0, lo que también se conoce como pH neutro. Las células humanas y la sangre mantienen un pH casi neutro.

    Escala de pH

    El pH de una solución indica su acidez o basicidad (alcalinidad). La escala de pH es un logaritmo inverso que va de 0 a 14: cualquier cosa por debajo de 7.0 (que va de 0.0 a 6.9) es ácida, y cualquier cosa por encima de 7.0 (de 7.1 a 14.0) es básica (o alcalina). Los extremos en pH en cualquier dirección desde 7.0 generalmente se consideran inhóspitos para la vida. El pH en las células (6.8) y la sangre (7.4) son ambos muy cercanos al neutro, mientras que el ambiente en el estómago es altamente ácido, con un pH de 1 a 2.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Escala de pH: La escala de pH mide la concentración de iones hidrógeno (H +) en una solución.

    Las lecturas de pH no neutro son el resultado de la disolución de ácidos o bases en agua. Usando el logaritmo negativo para generar enteros positivos, altas concentraciones de iones hidrógeno producen un pH bajo y concentraciones bajas un pH alto.

    Un ácido es una sustancia que aumenta la concentración de iones hidrógeno (H +) en una solución, generalmente disociando uno de sus átomos de hidrógeno. Una base proporciona iones hidróxido (OH —) u otros iones cargados negativamente que reaccionan con iones de hidrógeno en solución, reduciendo así la concentración de H + y elevando el pH.

    Ácidos Fuertes y Bases Fuertes

    Cuanto más fuerte es el ácido, más fácilmente dona H +. Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) es altamente ácido y se disocia completamente en iones hidrógeno y cloruro, mientras que los ácidos en el jugo de tomate o vinagre no se disocian completamente y se consideran ácidos débiles; a la inversa, las bases fuertes donan fácilmente OH —y/o reaccionan con iones de hidrógeno. El hidróxido de sodio (NaOH) y muchos limpiadores domésticos son altamente básicos y renuncian al OH —rápidamente cuando se colocan en el agua; los iones OH — reaccionan con H + en solución, creando nuevas moléculas de agua y disminuyendo la cantidad de H + libre en el sistema, elevando así el pH general. Un ejemplo de una solución básica débil es el agua de mar, que tiene un pH cercano a 8.0, lo suficientemente cercano al neutro para que los organismos marinos bien adaptados prosperen en este ambiente alcalino.

    Buffers

    ¿Cómo pueden los organismos cuyos cuerpos requieren un pH casi neutro ingerir sustancias ácidas y básicas (un ser humano que bebe jugo de naranja, por ejemplo) y sobrevivir? Los búferes son la clave. Los tampones generalmente consisten en un ácido débil y su base conjugada; esto les permite absorber fácilmente el exceso de H + u OH —, manteniendo el pH del sistema dentro de un rango estrecho.

    Mantener un pH constante en la sangre es fundamental para el bienestar de una persona. El tampón que mantiene el pH de la sangre humana involucra ácido carbónico (H 2 CO 3), ion bicarbonato (HCO 3 —) y dióxido de carbono (CO 2). Cuando los iones bicarbonato se combinan con iones de hidrógeno libres y se convierten en ácido carbónico, los iones de hidrógeno se eliminan, moderando los cambios de pH. De igual manera, el exceso de ácido carbónico puede convertirse en gas dióxido de carbono y exhalarse a través de los pulmones; esto evita que demasiados iones de hidrógeno libres se acumule en la sangre y reduzca peligrosamente su pH; asimismo, si se introduce demasiado OH — en el sistema, el ácido carbónico se combinará con él para crear bicarbonato, bajando el pH. Sin este sistema de tampón, el pH del cuerpo fluctuaría lo suficiente como para poner en peligro la supervivencia.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Bufferes en el cuerpo: Este diagrama muestra el amortiguamiento del cuerpo de los niveles de pH en sangre: las flechas azules muestran el proceso de elevar el pH a medida que se hace más CO2; las flechas moradas indican el proceso inverso, disminuyendo el pH a medida que se crea más bicarbonato.

    Los antiácidos, que combaten el exceso de ácido estomacal, son otro ejemplo de tampones. Muchos medicamentos de venta libre funcionan de manera similar a los tampones sanguíneos, a menudo con al menos un ion (generalmente carbonato) capaz de absorber hidrógeno y moderar el pH, brindando alivio a aquellos que sufren “acidez estomacal” por el ácido estomacal después de comer.

    Puntos Clave

    • Una solución básica tendrá un pH superior a 7.0, mientras que una solución ácida tendrá un pH inferior a 7.0.
    • Los tampones son soluciones que contienen un ácido débil y su base conjugada; como tales, pueden absorber el exceso de iones H + o iones OH —, manteniendo así un pH global estable en la solución.
    • El pH es igual al logaritmo negativo de la concentración de iones H + en solución: pH = — log [H +].

    Términos Clave

    • alcalino: con un pH superior a 7; básico
    • ácido: con un pH inferior a 7
    • tampón: una solución compuesta por un ácido débil y su base conjugada que puede usarse para estabilizar el pH de una solución

    Contribuciones y Atribuciones

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