Sistema tampón en química: definición y características

Definición

Los sistemas tampón juegan un papel importante en la naturaleza y en los entornos de laboratorio. En la naturaleza, ofrecen protección a los organismos vivos, mientras que en los laboratorios se utilizan para crear un entorno con un pH estable. Por definición, un sistema tampón es una solución que resiste un cambio de pH cuando se agregan ácidos o bases.

Las soluciones ácidas contienen altas concentraciones de iones de hidrógeno (H +) y tienen valores de pH inferiores a siete. Las soluciones básicas contienen altas concentraciones de iones de hidróxido (OH-) y tienen valores de pH superiores a siete. Las soluciones neutras contienen concentraciones iguales de iones de hidrógeno e hidróxido y tienen un pH de 7. Las soluciones tampón pueden tener cualquier pH; lo que los hace especiales es que mantienen ese pH incluso cuando se les agregan ácidos o bases.

Nuestra sangre es un sistema tampón que mantiene el pH entre 7,35 y 7,45. Es importante que el pH no se aleje demasiado de este rango; la sangre demasiado ácida o básica puede dañar los tejidos corporales. El agua de mar también es un amortiguador; el pH promedio del agua del océano es 8.4. La capacidad amortiguadora del agua del océano protege la vida marina de los efectos corrosivos de los ácidos y las bases.

Conceptos básicos del búfer

Un sistema tampón puede estar hecho de un ácido débil y su sal o de una base débil y su sal. Un ejemplo clásico de un tampón a base de ácido débil es el ácido acético (CH3COOH) y el acetato de sodio (CH3COONa) . Un tampón de base débil común está hecho de amoníaco (NH3) y cloruro de amonio (NH4Cl) . Los químicos pueden preparar sistemas tampón para que tengan casi cualquier pH que deseen. El pH del tampón preparado dependerá de la fuerza relativa del contenido químico. Las herramientas sensibles como sondas de pH que están expuestas a ácidos y bases a menudo se almacenan en soluciones tampón.

Cuando no está en uso, una sonda de pH se almacena en una solución tampón.

Cómo funciona un búfer

Es fundamental que los búferes estén hechos de componentes débiles . Los ácidos débiles, por ejemplo, no liberan grandes cantidades de iones de hidrógeno en soluciones como los ácidos fuertes, sino que el ión de hidrógeno prefiere adherirse al resto del compuesto. El resto del compuesto se conoce como base conjugada .

Aquí hay una figura que representa lo que le sucede a un sistema tampón genérico cuando se agrega ácido o base.

La concentración del ácido se representa como HX y la concentración de la base conjugada es X-. En equilibrio, las concentraciones de HX y X- son iguales. Cuando se agrega ácido, la base conjugada se une con los iones H + entrantes para producir más ácido débil. Por lo tanto, la proporción de HX / X- aumenta, pero no lo suficiente como para afectar el pH de manera significativa.

Cuando se agrega una base, los iones de hidrógeno del ácido débil se separan y se unen con los iones de hidróxido para formar agua. Esto aumenta la cantidad de base conjugada presente y disminuye la cantidad de ácido débil presente. La proporción de HX / X- disminuye, pero no lo suficiente como para afectar el pH de manera significativa.

Tomemos ese ejemplo clásico de un sistema tampón, el que tiene concentraciones iguales de ácido acético débil y su acetato de sodio. El acetato de sodio se romperá, una vez en la solución, para producir el ion acetato. En este caso, el ion acetato es la base conjugada del ácido acético.

Observe las similitudes de las fórmulas químicas en el ácido acético y el ion acetato. La base conjugada es idéntica al ácido con la excepción de un ion hidrógeno. Este principio es esencialmente el mismo en todos los tampones ácidos débiles. La presencia de un ácido débil y su base conjugada es lo que permite que este tampón resista un cambio de pH. El ion de sodio liberado del acetato de sodio es un ion espectador y no juega ningún papel en el sistema tampón.

Cuando se agrega una base a la mezcla de iones de ácido acético / acetato, los hidrógenos se disocian del ácido acético y se unen a la base, neutralizando la base agregada. Aunque la concentración de ácido acético disminuirá en el sistema, el pH permanece relativamente igual. Cuando se agrega ácido a esta mezcla, el ion acetato se unirá con los hidrógenos entrantes del ácido agregado. La concentración de ácido acético aumenta, pero no lo suficiente como para afectar significativamente el pH.

Es la adherencia de la base conjugada a los iones de hidrógeno lo que hace que este proceso sea tan eficaz. Aquí hay una figura que representa lo que le sucede a un sistema tampón hecho de ácido acético y el ión acetato, cuando se agrega un ácido o una base.

Capacidad de almacenamiento

Un búfer solo puede manejar hasta cierto punto. Agregue suficiente ácido o base para afectar significativamente la proporción del ácido débil a la base conjugada y el sistema pierde su capacidad para resistir un cambio de pH. La capacidad amortiguadora es la cantidad de ácido o base que se puede agregar antes de que el sistema ya no pueda resistir cambios significativos de pH. La capacidad amortiguadora de una solución depende de las concentraciones iniciales de ácido débil y base conjugada añadidas y de las cantidades de ácido o base añadidas. Idealmente, las concentraciones de ácido débil y base conjugada deberían ser grandes y las cantidades añadidas de ácido o base deberían ser pequeñas.

Por ejemplo, nuestros océanos están comenzando a alcanzar su capacidad de amortiguación. El exceso de dióxido de carbono en la atmósfera se absorbe en el océano, donde reacciona con el agua para producir iones de hidrógeno. Con el tiempo, la acumulación de estos iones de hidrógeno ha afectado negativamente la capacidad del océano para amortiguarse. A medida que el agua del océano continúe absorbiendo dióxido de carbono, el océano seguirá volviéndose más ácido. La acidificación de nuestros océanos ya está afectando negativamente a muchas criaturas oceánicas.

Resumen de la lección

• Un sistema tampón es una solución que resiste los cambios de pH cuando se le agregan ácidos o bases.
• Los sistemas tampón están hechos de un ácido débil y su sal o de una base débil y su sal.
• Cuando se agrega un ácido o una base a un tampón, la proporción de HX / X- no cambia lo suficiente como para afectar el pH de manera significativa.
• La capacidad amortiguadora es la cantidad de ácido o base que se puede agregar al amortiguador antes de que ya no pueda resistir un cambio significativo en el pH.
• Los sistemas tampón son importantes en la naturaleza y en los entornos de laboratorio por sus funciones protectoras contra los cambios dañinos del pH.

Sistema de búfer: vocabulario y definiciones

La capacidad de almacenamiento del océano está a punto de alcanzarse

Los resultados del aprendizaje

Cuando los alumnos terminen esta lección, deberían poder:

• Definir un sistema tampón en química
• Ilustre cómo funcionan los sistemas de amortiguación
• Explicar la capacidad de almacenamiento en búfer
• Identificar ejemplos de sistemas tampón y capacidad tampón

Rodrigo Ricardo Editor y fundador