Las soluciones amortiguadoras o soluciones buffer son aquellas soluciones capaces de resistir grandes cambios de pH cuando se adiciona un ácido o una base. Se encuentran conformadas por un ácido débil y su base conjugada, o viceversa.
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| Soluciones buffer o soluciones amortiguadoras. Imagen de thought |
Las soluciones buffer son de gran importancia para la ingeniería química, ya que en muchos procesos industriales se requiere mantener valores de pH sin cambios bruscos, es decir, estrictamente controlados, para poder fabricar productos con la formulación química requerida.
En este artículo definiremos a las soluciones amortiguadoras o buffer, su composición, y la capacidad de una solución amortiguadora o buffer con un ejemplo.
- ✔Definición de solución amortiguadora o solución buffer
- ✔¿Cómo funcionan las soluciones amortiguadoras?
- ✔Capacidad de las soluciones amortiguadoras
- ✔Soluciones amortiguadoras de ácidos y bases fuertes
Definición de solución amortiguadora o solución buffer
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| Frascos contentivos de soluciones amortiguadoras. Imagen de istock |
La definición más extendida de una solución buffer, solución tapón o solución amortiguadora es la siguiente:
Una solución amortiguadora es aquella que se opone a un cambio radical del valor de pH cuando se le adicionan iones hidrógeno o hidróxido, también presenta el mismo comportamiento de resistencia a cambios bruscos de pH cuando la solución se diluye.
Como podemos ver, las soluciones amortiguadoras o soluciones tapón son muy útiles para regular el pH en la química ácido-base, ya que ayudan a neutralizar parte del ácido o de la base que se adiciona para evitar que el pH se aleje mucho de su valor original. Las soluciones amortiguadoras tienen un rango de pH de trabajo y una capacidad que dicta la cantidad de ácido/base que se puede neutralizar antes de que el pH cambie, y la cantidad en la que cambiará.
¿De qué está compuesta una solución amortiguadora?
Para mantener eficazmente un rango de pH, las soluciones amortiguadoras deben estar compuestas por un par ácido-base débil conjugado, es decir, un ácido débil y su base conjugada, o bien una base débil y su ácido conjugado. El uso de uno u otro dependerá simplemente del pH deseado al preparar el tapón o solución amortiguadora. Por ejemplo, los siguientes pueden funcionar como tapones o amortiguadores de pH cuando están juntos en solución:
- Ácido acético: (ácido orgánico débil con fórmula CH3COOH) y una sal que contenga su base conjugada, el anión acetato (CH3COO-), como el acetato de sodio (CH3COONa)
- Piridina: (base débil con fórmula C5H5N) y una sal que contenga su ácido conjugado, el catión piridinio (C5H5NH+), como el cloruro de piridinio
- Amoníaco: (base débil con fórmula NH3) y una sal que contenga su ácido conjugado, el catión amonio, como el hidróxido de amonio (NH4OH)
¿Cómo funcionan las soluciones amortiguadoras?
Las soluciones amortiguadoras o soluciones tapón pueden resistir cambios bruscos de pH debido a que sus dos componentes (ácido conjugado y base conjugada) se encuentran presentes en cantidades apreciables en el equilibrio, y son capaces de neutralizar pequeñas cantidades de otros ácidos o bases cuando estos son añadidos a la solución.
Para ilustrar mejor este concepto, veremos un ejemplo sencillo de una solución amortiguadora de ácido fluorhídrico (HF) y fluoruro de sodio (NaF). Al ser el HF un ácido débil (cuya constante de equilibrio es Ka=6.6x10-4), parte de este se disociará para favorecer la formación de los productos, como podemos ver en la reacción:
Seguidamente, se le adiciona NaF hasta que se alcance el volumen de solución y el pH deseado que se requiere regular. La reacción que ocurre cuando el NaF se disuelve en el agua es la siguiente:
Siendo Na+ el conjugado de una base fuerte no presentará efecto alguno sobre el pH de la solución o la reactividad de la solución amortiguadora o solución buffer. Sin embargo, la adición de NaF a la solución elevará la cantidad de iones F- y en consecuencia, según el principio de Le Chatelier, conducirá a una disociación bastante menor de HF en la reacción de equilibrio (1). La presencia de cantidades significativas, tanto del ácido conjugado HF, como de la base conjugada F-, permite que la solución funcione como tapón o buffer. Esta acción amortiguadora puede verse en la curva de valoración de una solución amortiguadora.
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| Acción de una solución amortiguadora |
En el rango de trabajo de la solución amortiguadora, el pH variará poco con la adición de un ácido o una base, hasta superar la capacidad de amortiguación. Al llegar a este punto el valor de pH cambia bruscamente al adicionar un ácido o una base. Esto ocurre porque el ácido o base conjugado se ha agotado mediante la neutralización. Este principio implica que una mayor cantidad de ácido o base conjugada tendrá una mayor capacidad amortiguadora.
Cuando se adiciona un ácido a la solución tapón o buffer, podemos ver que en la reacción (1) la base conjugada es el F- y esta neutralizará el ácido añadido. Esta reacción se completa porque la constante de equilibrio de la reacción de F- y H3O+ es mucho mayor que 1. Mientras haya más F- que H3O+, casi todo el H3O+ se consumirá y el equilibrio de la reacción (1) se desplazará hacia la derecha, aumentando ligeramente la concentración de HF y disminuyendo la concentración de F-. Sin embargo, la concentración de H3O+ no experimentará casi ningún cambio una vez establecido el equilibrio.
Ahora, si se adiciona una base, podemos ver que en la reacción (1) el ácido conjugado, HF, neutralizará cantidades añadidas de base, OH-, y el equilibrio se desplazará de nuevo hacia la derecha, aumentando ligeramente la concentración de F- en la solución y disminuyendo ligeramente la cantidad de HF. De nuevo, como la mayor parte del OH- se neutraliza, se producirá un pequeño cambio de pH. Estas dos reacciones pueden continuar alternándose de un lado a otro con poco cambio de pH.
Ecuación de Henderson-Hasselbalch
Cuando se crea un tapón o solución amortiguadora con un ácido débil y su base conjugada, éste mantiene un pH de tapón y puede resistir cambios en ese pH si se añaden pequeñas cantidades de ácido o base adicionales. La ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se muestra a continuación, utiliza el pKa del ácido débil para calcular cuál es el pH del tapón o solución amortiguadora, como podemos ver en el modelo matemático siguiente:
Capacidad de las soluciones amortiguadoras
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| Ejemplo de cálculo de una solución amortiguadora. Imagen de youtube |
La capacidad de las soluciones amortiguadoras o soluciones buffer es la medida de su efectividad para resistir los cambios de pH con la adición de una base o un ácido. Mientras mayor sea la concentración del ácido y la base conjugada del buffer, mayor será la capacidad de dicha solución amortiguadora de mantener cambios leves de pH a medida que se adicione una base o un ácido a la solución.
Al preparar una solución amortiguadora o solución tapón para un pH deseado, se debe seleccionar un sistema ácido-sal ó base-sal, en el cual el pKa del ácido se encuentre lo más cerca posible del valor del pH que se requiera amortiguar. Con esta selección, la proporción ácido-sal es cercana a la unidad y se obtiene la máxima efectividad contra el incremento o decremento de pH. La concentración real del ácido y la sal utilizados dependerá de la resistencia al cambio de pH que se desee obtener. Veamos un ejemplo:
Se desea preparar 100 mL de una solución amortiguadora de pH 5.00. Se dispone de ácido benzoico, ácido acético y ácido fórmico, así como sus sales correspondientes. ¿Qué ácido se debe utilizar para obtener la máxima eficacia contra el incremento o decremento de pH? y ¿Qué proporción de ácido y base debe utilizarse?
Datos
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Ácido débil |
pKa |
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Acético |
4.74 |
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Benzoico |
4.18 |
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Fórmico |
3.68 |
Solución
Al ser el pKa del ácido acético el más cercano al valor del pH deseado, seleccionaremos este ácido y su sal. Ahora, para estimar las concentraciones para la preparación del buffer utilizaremos la ecuación de Henderson-Hasselbalch:
Sustituyendo los valores y despejando, tenemos:
Entonces, la proporción de sal-ácido debe ser de 1.819 a 1 (1.819:1), siendo esta una proporción molar y no másica.
Soluciones amortiguadoras de ácidos y bases fuertes
Las soluciones concentradas de ácidos y bases fuertes son capaces de resistir grandes cambios de pH, Este tipo de soluciones suelen emplearse para mantener el pH a valores muy altos o muy bajos, como por ejemplo:
Una solución de HCl 0.100 M, puede utilizarse como amortiguador de pH de 1.00. 100 mL de esta solución contiene 10.0 mmol de H3O+, por lo tanto, la adición de 1 mmol de OH- sólo cambiará el pH en 0.05 unidades. Sin embargo, si se utiliza dicha solución para amortiguar un pH de 2.00 se apreciará una capacidad muy baja para remover el OH-, ya que 100 mL de esta solución sólo tiene 1 mmol de H3O+ y la adición de 1 mmol de OH- llevará al pH de 2.00 a 7.00.
Cabe destacar, que las soluciones amortiguadoras creadas con un ácido o base fuertes son propensas a sufrir cambios de pH considerables cuando se diluyen, al contrario del pH de un amortiguador preparado con un ácido-base conjugado, que teóricamente es independiente del volumen de la solución, como lo describe la ecuación de Henderson-Hasselbalch.
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