9.2: Búferes
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Resultados de aprendizaje
- Definir búfer.
- Definir la capacidad de búfer
- Describir cómo un tampón controla el pH.
- Identificar los componentes de una solución tampón.
La diabetes mellitus es un trastorno del metabolismo de la glucosa en el que se ve afectada la producción de insulina por el páncreas. Dado que la insulina ayuda a que la glucosa ingrese a las células, una disminución de esta hormona significa que la glucosa no puede ser utilizada de manera normal. Cuando esto sucede, el cuerpo comienza a descomponer las grasas, produciendo una disminución en el pH de la sangre. Los sistemas químicos en el cuerpo pueden equilibrar este cambio de pH por un tiempo, pero la producción excesiva de ácido puede crear serios problemas si no se corrige administrando insulina para restaurar el uso normal de glucosa.
Buffers
Si solo\(1.0 \: \text{mL}\) se agrega ácido\(0.10 \: \text{M}\) clorhídrico al\(1.0 \: \text{L}\) agua pura el pH desciende drásticamente de 7.0 a 4.0. Esto es un aumento de 1000 veces en la acidez de la solución. Para muchos propósitos, es deseable tener una solución que sea capaz de resistir cambios tan grandes en el pH cuando se les agregan cantidades relativamente pequeñas de ácido o base. Tal solución se llama búfer. Un tampón es una solución de un ácido débil o una base y su sal. Ambos componentes deben estar presentes para que el sistema actúe como tampón para resistir cambios en el pH. La sal es el conjugado del ácido débil o de la base débil. Se puede mostrar como el ion o con el contraión. \(\left( \ce{COO^-} \: \text{or} \: \ce{COONa} \right)\)
Algunos sistemas de búfer comunes se enumeran en la siguiente tabla. Tenga en cuenta que los dos componentes del sistema tampón difieren en un solo ion hidrógeno\(\left( \ce{H^+} \right)\).
| Sistema de búfer | Componentes de búfer | pH del tampón (molaridades iguales de ambos componentes) |
|---|---|---|
| Ácido acético/ion acetato | \(\ce{CH_3COOH}/\ce{CH_3COO^-}\) | 4.74 |
| Ácido carbónico/ion hidrogenocarbonato | \(\ce{H_2CO_3}/\ce{HCO_3^-}\) | 6.38 |
| Ion fosfato dihidrógeno/ion fosfato de hidrógeno | \(\ce{H_2PO_4^-}/\ce{HPO_4^{2-}}\) | 7.21 |
| Amoníaco/ion amonio | \(\ce{NH_3}/\ce{NH_4^+}\) | 9.25 |
Un ejemplo de un tampón es una solución hecha de ácido acético (el ácido débil) y acetato de sodio (un conjugado del ácido). El pH de un tampón que consiste en\(0.50 \: \text{M} \: \ce{CH_3COOH}\) y\(0.50 \: \text{M} \: \ce{CH_3COONa}\) es 4.74. Si\(10.0 \: \text{mL}\) de\(1.0 \: \text{M} \: \ce{HCl}\) se agrega al\(1.0 \: \text{L}\) del tampón, el pH solo disminuye a 4.73. Esta capacidad de “absorber” los iones de hidrógeno adicionales de los\(\ce{HCl}\) que se agregaron se debe a la reacción a continuación.
\[\ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H^+} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{CH_3COOH} \left( aq \right)\]
Dado que tanto el ion acetato como el ácido acético ya estaban presentes en el tampón, lo único que cambia es la relación de uno a otro. Pequeños cambios en esa relación solo tienen efectos muy menores sobre el pH.
Si\(10.0 \: \text{mL}\) de\(1.0 \: \text{M} \: \ce{NaOH}\) se agregara a otro\(1.0 \: \text{L}\) del mismo tampón, el pH solo aumentaría a 4.76. En este caso, el tampón ocupa los iones hidróxido adicionales.
\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\]
Nuevamente la relación de ion acetato a ácido acético cambia sólo ligeramente, esta vez provocando un incremento muy pequeño en el pH. Todos los tampones siguen el principio de Le Chatelier y responden a una tensión en el sistema respondiendo para minimizar el estrés.
Es posible agregar tanto ácido o base a un tampón que su capacidad para resistir un cambio significativo en el pH se ve abrumada. La capacidad tampón es la cantidad de ácido o base que se puede agregar a una solución tampón antes de que ocurra un gran cambio en el pH. La capacidad del tampón se excede cuando el número de moles de\(\ce{H^+}\) o\(\ce{OH^-}\) que se agregan al tampón excede el número de moles de los componentes del tampón.
La sangre humana contiene un tampón de ácido carbónico\(\left( \ce{H_2CO_3} \right)\) y anión bicarbonato con el\(\left( \ce{HCO_3^-} \right)\) fin de mantener el pH de la sangre entre 7.35 y 7.45, ya que un valor superior a 7.8 (alcalosis) o inferior a 6.8 (acidosis) puede llevar a la muerte. En este tampón, el hidronio y el anión bicarbonato están en equilibrio con el ácido carbónico. El bicarbonato neutraliza el exceso de ácidos en la sangre mientras que el ácido carbónico neutraliza el exceso de bases.
Además, el ácido carbónico puede descomponerse en\(\ce{CO_2}\) gas y agua, dando como resultado un segundo sistema de equilibrio entre el ácido carbónico y el agua. Debido a que\(\ce{CO_2}\) es un componente importante del tampón sanguíneo, su regulación en el cuerpo, así como la de\(\ce{O_2}\), es sumamente importante. El efecto de esto puede ser importante cuando el cuerpo humano está sometido a condiciones extenuantes.
\[\ce{CO_2} + \ce{H_2O} \rightleftharpoons \ce{H_2CO_3} \rightleftharpoons \ce{HCO_3^-} + \ce{H^+}\]
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)