21.23: Buffers
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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 a\(1.0 \: \text{L}\) 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 le 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 los cambios en el pH. Se pueden obtener soluciones tampón comerciales, que tienen una amplia variedad de valores de pH.
Algunos sistemas de búfer comunes se enumeran en la siguiente tabla.
| Sistema Buffer | 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 (la sal). 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.
\[\ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H^+} \left( aq \right) \rightarrow \ce{CH_3COOH} \left( aq \right)\nonumber \]
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 toma los iones hidróxido adicionales.
\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Nuevamente la relación de ion acetato a ácido acético cambia ligeramente, esta vez provocando un incremento muy pequeño en el pH.
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.
Resumen
- Un tampón es una solución de un ácido débil o una base y su sal.
- 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.
- Se describen reacciones que muestran cómo los tampones regulan el pH.