12.8: Buffers

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Objetivos de aprendizaje

Definir búfer.
Identificar correctamente los dos componentes de un búfer.

Como se indica en la Sección 12.5, los ácidos débiles son relativamente comunes, incluso en los alimentos que comemos. Pero ocasionalmente nos encontramos con un ácido o base fuerte, como el ácido estomacal, que tiene un pH fuertemente ácido de 1.7. Por definición, los ácidos y bases fuertes pueden producir una cantidad relativamente grande de iones H ⁺ u OH ⁻ y en consecuencia tienen actividades químicas marcadas. Además, cantidades muy pequeñas de ácidos y bases fuertes pueden cambiar el pH de una solución muy rápidamente. Si se agregara 1 mL de ácido estomacal [aproximado como HCl (ac) 0.1 M] al torrente sanguíneo y no hubiera ningún mecanismo de corrección, el pH de la sangre disminuiría de aproximadamente 7.4 a aproximadamente 4.7—un pH que no es propicio para continuar viviendo. Afortunadamente, el cuerpo tiene un mecanismo para minimizar cambios de pH tan dramáticos.

Este mecanismo involucra un tampón, una solución que resiste cambios dramáticos en el pH. Los tampones lo hacen al estar compuestos por ciertos pares de solutos: ya sea un ácido débil más una sal derivada de ese ácido débil, o una base débil más una sal de esa base débil. Por ejemplo, un tampón puede estar compuesto por HC ₂ H ₃ O ₂ disueltos (un ácido débil) y NaC ₂ H ₃ O ₂ (la sal derivada de ese ácido débil). Otro ejemplo de un tampón es una solución que contiene NH ₃ (una base débil) y NH ₄ Cl (una sal derivada de esa base débil).

Usemos un búfer HC ₂ H ₃ O ₂ /Nac ₂ H ₃ O ₂ para demostrar cómo funcionan los buffers. Si se añade una base fuerte, una fuente de iones OH ^- (ac), a la solución tampón, esos iones OH ^- reaccionarán con el HC _2H ₃ O ₂ en una reacción ácido-base:

\[\ce{HC2H3O2(aq) + OH^{-}(aq) \rightarrow H2O(ℓ) + C2H3O^{-}2(aq)} \label{Eq1} \]

En lugar de cambiar drásticamente el pH haciendo básica la solución, los iones OH ⁻ añadidos reaccionan para hacer H ₂ O, por lo que el pH no cambia mucho.

Si se agrega un ácido fuerte, una fuente de iones H ⁺, a la solución tampón, los iones H ⁺ reaccionarán con el anión de la sal. Debido a que HC ₂ H ₃ O ₂ es un ácido débil, no se ioniza mucho. Esto significa que si muchos iones H ⁺ y C ₂ H ₃ O ₂ ⁻ están presentes en la misma solución, se unirán para hacer HC ₂ H 3 O ₂:

\[\ce{H^{+}(aq) + C2H3O^{−}2(aq) \rightarrow HC2H3O2(aq)} \label{Eq2} \]

En lugar de cambiar drásticamente el pH y hacer que la solución sea ácida, los iones H ⁺ añadidos reaccionan para hacer moléculas de un ácido débil. La figura\(\PageIndex{1}\) ilustra ambas acciones de un búfer.

Figura\(\PageIndex{1}\) Las acciones de los búferes. Los tampones pueden reaccionar tanto con ácidos fuertes (superior) como con bases fuertes (laterales) para minimizar grandes cambios en el pH.

Los tampones elaborados a partir de bases débiles y sales de bases débiles actúan de manera similar. Por ejemplo, en un tampón que contiene NH ₃ y NH ₄ Cl, las moléculas de NH ₃ pueden reaccionar con cualquier exceso de iones H ⁺ introducidos por ácidos fuertes:

\[\ce{NH3(aq) + H^{+}(aq) \rightarrow NH^{+}4(aq)} \label{Eq3} \]

mientras que el ion amonio (\(\ce{NH4^{+}(aq)}\)) puede reaccionar con cualquier ion hidróxido introducido por bases fuertes:

\[\ce{NH^{+}4(aq) + OH^{-}(aq) \rightarrow NH3(aq) + H2O(ℓ)} \label{Eq4} \]

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Qué combinaciones de compuestos pueden hacer una solución tampón?

HCHO ₂ y NaChO ₂
HCl y NaCl
CH ₃ NH ₂ y CH ₃ NH ₃ Cl
NH ₃ y NaOH

Solución

HCHO ₂ es ácido fórmico, un ácido débil, mientras que NaChO ₂ es la sal hecha del anión del ácido débil (el ion formiato [CHO ₂ ⁻]). La combinación de estos dos solutos haría una solución tampón.
El HCl es un ácido fuerte, no un ácido débil, por lo que la combinación de estos dos solutos no haría una solución tampón.
CH ₃ NH ₂ es metilamina, que es como NH ₃ con uno de sus átomos de H sustituido con un grupo CH ₃. Debido a que no está listado en la Tabla\(\PageIndex{1}\), podemos suponer que es una base débil. El compuesto CH ₃ NH ₃ Cl es una sal elaborada a partir de esa base débil, por lo que la combinación de estos dos solutos haría una solución tampón.
NH ₃ es una base débil, pero el NaOH es una base fuerte. La combinación de estos dos solutos no haría una solución tampón.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Qué combinaciones de compuestos pueden hacer una solución tampón?

NaHCO ₃ y NaCl
H ₃ PO ₄ y NaH ₂ PO ₄
NH ₃ y (NH ₄) ₃ PO ₄
NaOH y NaCl

Responder a: Sí.

Respuesta b: No. Necesita un ácido o base débil y una sal de su base conjugada o ácido.

Respuesta c: Sí.

Respuesta d: No. Necesita una base o ácido débil.

Los tampones funcionan bien solo para cantidades limitadas de ácido fuerte o base agregados. Una vez que cualquiera de los solutos ha reaccionado completamente, la solución ya no es un tampón y pueden ocurrir cambios rápidos en el pH. Decimos que un buffer tiene cierta capacidad. Los tampones que tienen más soluto inicial disuelto dentro de ellos tienen mayores capacidades, como podría esperarse.

La sangre humana tiene un sistema de amortiguación para minimizar los cambios extremos en el pH. Un tampón en sangre se basa en la presencia de HCO ₃ ⁻ y H ₂ CO ₃ [el segundo compuesto es otra forma de escribir CO ₂ (aq)]. Con este tampón presente, aunque algún ácido estomacal encontrara su camino directamente en el torrente sanguíneo, el cambio en el pH de la sangre sería mínimo. Dentro de muchas de las células del cuerpo, hay un sistema de amortiguación basado en iones fosfato.

Aplicación de alimentos y bebidas: el ácido que alivia el dolor

Si bien los medicamentos no son exactamente “comida y bebida”, sí los ingerimos, así que echemos un vistazo a un ácido que probablemente sea el medicamento más común: el ácido acetilsalicílico, también conocido como aspirina. La aspirina es bien conocida como analgésico y antipirético (reductor de fiebre).

La estructura de la aspirina se muestra en la figura acompañante. La parte ácida está encerrada en un círculo; es el átomo de H en esa parte que se puede donar ya que la aspirina actúa como un ácido de Brønsted-Lowry. Debido a que no se da en la Tabla\(\PageIndex{1}\), el ácido acetilsalicílico es un ácido débil. No obstante, sigue siendo un ácido, y dado que algunas personas consumen diariamente cantidades relativamente grandes de aspirina, su naturaleza ácida puede ocasionar problemas en el revestimiento del estómago, a pesar de las defensas del estómago frente a su propio ácido estomacal.

Figura\(\PageIndex{2}\): La estructura molecular de la aspirina. Los átomos en un círculo son la parte ácida de la molécula.

Debido a que las propiedades ácidas de la aspirina pueden ser problemáticas, muchas marcas de aspirina ofrecen una forma de “aspirina tamponada” del medicamento. En estos casos, la aspirina también contiene un agente tamponante, generalmente MgO, que regula la acidez de la aspirina para minimizar sus efectos secundarios ácidos.

Tan útil y común como es la aspirina, se comercializó formalmente como fármaco a partir de 1899. La Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA), la agencia gubernamental encargada de supervisar y aprobar medicamentos en Estados Unidos, no se formó hasta 1906. Algunos han argumentado que si la FDA se había formado antes de que se introdujera la aspirina, es posible que la aspirina nunca haya obtenido la aprobación debido a su potencial de efectos secundarios: sangrado gastrointestinal, zumbido en los oídos, síndrome de Reye (un problema hepático) y algunas reacciones alérgicas. Sin embargo, recientemente la aspirina ha sido promocionada por sus efectos en la disminución de ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares, por lo que es probable que la aspirina permanezca en el mercado.

Resumen

Un tampón es una solución que resiste cambios repentinos en el pH.