home
sabelotodo
logo
entrar
comentario
colaborar

Tampón o buffer.


Del artículo La escala de pH sabemos que la acidez o basicidad de una solución acuosa se mide cuantitativamente por un número denominado pH y que este número puede variar desde 0 a 14 con la solución neutra en el centro a pH 7. Las soluciones con pH menor de 7 son ácidas y las de pH mayor que 7 son básicas.

Muchas de las reacciones que se producen en el ambiente que nos rodea se hacen en medio acuoso y en muchos casos, especialmente con aquellas reacciones relacionadas con los seres vivos, la efectividad de la reacción depende en gran medida de rangos muy estrechos de pH. Así por ejemplo, un cambio relativamente pequeño del pH de nuestra sangre puede producirnos la muerte. El pH normal de la sangre es de 7.4 y un cambio de este a un valor de 6.8 es letal.

Lo mismo sucede con las plantas, la mayor parte de ellas pueden absorber del suelo los nutrientes que necesitan cuando su pH está próximo a 7, pero si el terreno se acidifica o se hace algo básico esta capacidad se pierde y la planta resulta desnutrida aun cuando los nutrientes abunden en el terreno.

Si tomamos 5 litros (la cantidad promedio de sangre de un humano) de una solución acuosa con un pH de 7.4 (como el de nuestra sangre) y le agregamos menos de una gota de otra solución con un pH de 1.3, el pH de la solución puede moverse de 7.4 a menos de 6.8. Lo que significa que cantidades tan pequeñas como una fracción de gota de solución ácida (tal como las secreciones estomacales cuyo pH es de 1.3) agregadas al torrente sanguíneo de un adulto puede producirnos la muerte. Usted puede pensar, bueno, pero los jugos gástricos y la sangre están separadas, sí, es cierto, pero pueden entrar en contacto si se produce una avería de los tejidos que los mantienen separados lo que es bastante común en las personas que padecen úlceras, o simplemente se puede producir cuando se consume una aspirina. Y entonces, ¿como es que estamos vivos? la respuesta es que nuestra sangre tiene una gran capacidad de oponerse a los cambios de pH y no funciona como una solución acuosa simple. Cuando una solución tiene esta capacidad de oponerse a los cambios del pH, aunque se agreguen cantidades moderadas de ácidos o bases a la solución, se dice que la solución está amortiguada o que es una solución tampón (también se usa con frecuencia el término buffer del inglés en lugar de tampón).

Para poder comprender el mecanismo de la amortiguación o tampón primero debemos saber que es el concepto de conjugados.

Ácidos y bases conjugadas.

Cada ácido y cada base tiene su conjugado, una suerte de "cónyuge" al que siempre está ligado, de modo que cada base tienen su ácido conjugado, y cada ácido su base conjugada y ambos constituyen lo que se conoce como par conjugado. Y ahora lo que sigue es muy importante, la única diferencia entre los miembros de un par conjugado es un protón (H+). El miembro ácido del par tiene el protón mientras el miembro básico no lo tiene. Esto implica que el "traspaso" del protón entre los dos miembros del par conjugado hace que se inviertan los papeles, ahora la antigua base (que acepta el protón) es la que lo tiene y se ha convertido en el ácido del par conjugado, mientras que el donador (que era el ácido) se ha quedado sin el protón y se ha convertido en la base del par conjugado.

Recuerde que según la definición de ácidos y bases de Brønsted y Lowry un ácido es cualquier cosa que done un protón y una base es cualquier cosa que acepte un protón.

Veamos un ejemplo para ilustrar lo que decimos: el ácido acético de fórmula CH3COOH se convierte en su base conjugada al perder un protón, de modo que este otro miembro del par sería CH3COO- el ion acetato, note que el ion acetato le falta un H+ (un protón) mientras el ácido acético lo tiene. Por supuesto los iones no existen de forma independiente como molécula, ellos se generan en la solución al disociarse alguna sustancia de carácter iónico, entonces ¿cual sustancia puede ser una base conjugada para el ácido acético?, digamos que el acetato de sodio que se disocia en Na+ y CH3COO- al disolverse.

Otros pares conjugados se muestran a continuación en la tabla 1.

Tabla 1. Algunos pares conjugados.
Ácido
Base
Ácido carbónico H2CO3
Ion bicarbonato HCO3-
Ácido fluorhídrico HF
Ion fluoruro F-
Ion amonio NH4+
Amoníaco NH3
Ácido cítrico C5H7O6OH
Ion citrato C5H7O6O-

Note que el par conjugado no se forma entre cualquier base y cualquier ácido, esto solo es posible cuando se mezclan en una disolución un ácido y su correspondiente base conjugada que será necesariamente el ion correspondiente al ácido cuando ha perdido un protón. Normalmente los ácidos pierden los protones para formar compuestos iónicos que se conocen como sales. Esto significa que una solución tampón puede ser la mezcla de un ácido y una de sus sales.

Hay un hecho importante que puede destacarse ahora, observe que siempre hemos utilizado ácidos y bases débiles para formar nuestros pares conjugados, ¿y es que los ácidos y bases fuertes no tienen pares conjugados?, en teoría sí los tienen, pero en la práctica no. Veamos.

Usemos como ejemplo el fuerte ácido clorhídrico (HCl), su base conjugada es el ácido menos un protón es decir Cl- (el ion cloruro) lo que significa en teoría que el ácido clorhídrico tiene su base conjugada:

Ácido fuerte HCl

Su base conjugada Cl-

El problema es que el ion cloruro no actúa como base, la solución no presenta ninguna de las propiedades de las bases, por ejemplo no colorea de azul el tornasol, ni produce iones OH- ya que el Cl- rechaza aceptar un protón (H+) de agua para dejarla como el ion OH-, la reacción:

Cl-  +  H2O  ----------->  HCl  +  OH-  no se produce

la situación es diferente en el caso de ácidos débiles, por ejemplo, si disolvemos iones acetato en agua (digamos disolviendo acetato de sodio) la solución se torna ligeramente básica lo que nos indica que el ion acetato es una base débil y, de hecho, es la base conjugada del también débil ácido acético.

¿Qué sale de todo esto? simplemente que cuando mezclamos un ácido débil con su base conjugada en una solución, o lo que es lo mismo, un ácido débil con una de sus sales (por ejemplo, ácido acético + acetato de sodio) tenemos dos sustancias en la solución que se comportan de forma opuesta, una como ácido y la otra como base y hemos logrado una solución amortiguada o tampón. 

Como funciona una solución tampón


Supongamos que disolvemos en agua pura una cantidad de una sustancia hipotética neutra, como la sustancia no es ni ácida ni básica el pH de la solución se mantiene neutro esto es de valor 7. Si ahora agregamos un poco de ácido o base fuertes, el pH de la solución inmediatamente se mueve fuertemente a la acidez o la basicidad según sea la naturaleza de la sustancia agregada. Pero supongamos que hemos agregado a la solución un ácido débil y su base conjugada en las cantidades adecuadas para que el pH se mantenga neutro y repetimos el experimento de agregarle el ácido o la base fuerte. Ahora el pH de la solución se resiste a moverse y si lo hace es a pequeña escala ¿Porqué?, la respuesta es simple. Recuerde que tenemos en la solución a asecho un ácido y una base, cuando se echa en la solución el ácido fuerte la parte básica del par conjugado se dirige rápidamente a reaccionar con el ácido fuerte agregado y el producto de la reacción es un ácido débil que apenas mueve el pH. En caso contrario si lo que se adiciona es una base fuerte entonces la parte ácida del par es la que entra en juego neutralizando la base fuerte y formando un base débil. El resultado en ambos casos es que rápidamente el ácido o base fuerte es sustituido por una base o ácido débil que influyen relativamente poco en el pH. Ilustremos lo que decimos con las reacciones químicas:

Supongamos que tenemos amortiguada una disolución con una mezcla de ácido acético y acetato de sodio NaO2CCH3 (el par conjugado) de modo que en la solución hay iones acetato CH3COO- y ácido acético CH3COOH y veamos ahora que sucede cuando se agrega un ácido fuerte como el ácido clorhídrico (HCl):

Primero el ácido fuerte se disocia generando iones hidronio (H3O+) de carácter muy ácido.

HCl  +  H2O  -------------> Cl-  +  H3O+

Luego el ion acetato que está al asecho "enfrenta" al ion hidronio formando ácido acético mucho mas débil y además agua.

H3O-  +  CH3COO-  +  Na+  -------------> CH3COOH  +  Na+  +H2O

El resultado es la sustitución del ácido fuerte por uno mucho mas débil con menor influencia en el pH.

Si por el contrario lo que agregamos es una base fuerte tal como el hidróxido de sodio (NaOH) sucede lo siguiente:

Primero se disocia la base generando iones OH- de carácter muy básico.

NaOH  -----Agua-------> Na+  +  OH-

Luego el ácido acético se combina con el ion OH- para dar una base mucho mas débil, el ion acetato (en forma de acetato de sodio disociado) y además agua.

Na+  +  OH-  +  CH3COOH  ----------->  CH3COO-  +  Na+  + H2O

El resultado es la sustitución de la base fuerte por una mucho mas débil con menor influencia en el pH.

Note que el ion Na+ no juega ningún rol en el efecto tampón de la solución y por ello es frecuente que se le llame un ion espectador.
Por supuesto la acción reguladora tienen un límite, y su efecto desaparece en una u otra dirección cuando se agotan las sustancias tampón en la solución y por tanto ya no habrá reacción química reguladora con el exceso de base o ácido agregado.

Otra cosa importante que hay que notar es que la solución tampón no mantiene el pH fijo, es decir no cancela por completo el efecto de los ácidos y bases fuertes agregados y solo reduce su influencia, por eso se dice que la solución resiste al cambio y no que lo impide por completo.



Otros temas de química general aquí.
Temas de química orgánica aquí.
Para ir al índice general del portal aquí