¡Buenas! Hoy vamos a estudiar las mezclas buffer, también conocidas como soluciones tampón o amortiguadoras.
Como el nombre lo indica, el objetivo biológico de
estas soluciones es amortiguar, mitigar o evitar los cambios
bruscos de pH cuando se le añade a un sistema pequeñas cantidades de
un ácido o de una base. A nivel clínico, mantener el pH dentro de rangos ultraestrictos
es vital (por ejemplo, el pH de la sangre de los mamíferos debe oscilar
estrictamente entre 7,35 y 7,45).
¡Recordá que para la próxima clase particular de química biológica, necesitás repasar el vocabulario y los conceptos clave de esta clase!
1. El Requisito de la
Formulación de Sales
Para dominar las mezclas buffer es fundamental
manejar la formulación de sales por reacciones de neutralización.
La regla de los buffers es que están compuestos por dos componentes esenciales que actúan en pareja: uno se
encargará de neutralizar los ataques ácidos y el otro los ataques básicos.
Analizemos en profundidad las tres
configuraciones de buffers más importantes en sistemas biológicos y de
laboratorio.
2. Sistema 1: Ácido Débil y su
Sal con una Base Fuerte
Este sistema combina un ácido que se disocia de
forma parcial (ácido débil) con una sal específica. Esa sal debe ser la que se
origina de hacer reaccionar ese mismo ácido débil con una
base fuerte.
Mecanismo de Formación de la Sal
Si tomamos como ejemplo al ácido carbónico (H2CO3) como
nuestro ácido débil, y lo hacemos reaccionar con el hidróxido
de sodio (NaOH) como base fuerte en una neutralización total:
H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2 H2O
- Componentes de la mezcla buffer: El
ácido débil de partida y la sal resultante de la neutralización.
- La mezcla queda conformada por: H2CO3 (Ácido Carbónico) y Na2CO3 (Carbonato de Sodio).
(Recordá: la base fuerte participa en el
razonamiento que hacemos para fabricar la sal, pero NO forma parte de la mezcla
final).
3. Sistema 2: Base Débil y su
Sal con un Ácido Fuerte
Funciona con la misma lógica simétrica que el caso
anterior, pero invirtiendo las fuerzas de sus componentes. Se junta una base
que se ioniza parcialmente con la sal que se produce al hacerla reaccionar con
un ácido fuerte.
Mecanismo de Formación de la Sal
Tomemos la base débil biológica hidróxido de amonio (NH4OH) y enfrentémosla
al ácido clorhídrico (HCl) como ácido fuerte:
NH4OH + HCl → NH4Cl + H2O
- La mezcla buffer queda conformada por: NH4OH (Hidróxido de Amonio) y la sal NH4Cl (Cloruro de Amonio).
4. Sistema 3: Mezcla de Sales de
Ácidos Polipróticos
Los ácidos polipróticos son aquellos que poseen más
de un protón separable (H+) y se disocian en etapas.
Al reaccionar con distintas proporciones de una base, pueden generar sales ácidas (que aún conservan protones en su
estructura) o sales neutras. Una mezcla de estas sales constituye un
buffer excelente.
Veamos las dos sales que puede generar el ácido carbónico (H2CO3)
al reaccionar con hidróxido de sodio (NaOH):
- Reacción 1 (Neutralización Parcial - 1 mol de base): El
ácido cede un solo hidrógeno para formar agua.
H2CO3 + NaOH
→ NaHCO3 + H2O
Genera Bicarbonato de Sodio (NaHCO3), una sal
ácida.
- Reacción 2 (Neutralización Total - 2 moles de base): El
ácido entrega sus dos hidrógenos.
H2CO3 + 2NaOH
→ Na2CO3 + 2H2O
Genera Carbonato de Sodio (Na2CO3), una
sal neutra.
¿Cómo opera este buffer de
sales?
Al mezclar NaHCO3 y Na2CO3, tenemos dos sales juntas.
Para aplicar las fórmulas de cálculo correctamente, usamos la regla del conteo
de hidrógenos:
Sal con MÁS protones → Se comporta como el ÁCIDO (NaHCO3)
Sal con MENOS protones → Se comporta como la SAL (Na2CO3)
Lo mismo ocurre con el ácido fosfórico (H3PO4), el cual puede generar tres
sales y dar origen al sistema buffer de fosfatos mezclando dos de ellas en
paralelo.
5. El Cuadro de Combinaciones
Prohibidas
Para que una solución sea un buffer efectivo,
obligatoriamente se debe cruzar un componente débil con la sal
derivada de un componente fuerte. Las mezclas
simétricas (Fuerte-Fuerte o Débil-Débil) quedan totalmente inhabilitadas para amortiguar el pH:
|
Componente Base |
Con Sal derivada de... |
¿Es Buffer? |
|
Ácido Débil |
Base Fuerte |
SÍ (Buffer Ácido) |
|
Base Débil |
Ácido Fuerte |
SÍ (Buffer Básico) |
|
Ácido Fuerte |
Base Fuerte |
❌ PROHIBIDO (No amortigua) |
|
Ácido Débil |
Base Débil |
❌ PROHIBIDO (No amortigua) |
6. Fórmulas de Cálculo
Matemático (Ecuación de Henderson-Hasselbalch)
Para hallar el pH o pOH de estas soluciones
reguladoras, empleamos variaciones de la ecuación de Henderson-Hasselbalch.
🧪 ¿Qué es pK? Es el logaritmo negativo de la constante de
equilibrio de la sustancia (pKa = -log Ka y pKb = -log Kb).
A. Para Buffers Ácidos (Ácido
débil + Sal / Mezcla de Sales)
Como el sistema es nativamente ácido, calculamos
directamente el pH:
pH = pKa + log ([Sal] / [Ácido])
(En el buffer de sales polipróticas, la
"Sal" es la que tiene menos hidrógenos y el "Ácido" es la
que posee más hidrógenos).
B. Para Buffers Básicos (Base
débil + Sal)
Como el sistema es nativamente alcalino, la
ecuación nos entrega primero el pOH:
pOH = pKb + log ([Sal] / [Base])
Una vez calculado el pOH, obtenemos el pH por
diferencia matemática complementaria:
pH = 14 - pOH
⚠️ Atención al operar con la calculadora: El logaritmo
afecta a toda la fracción combinada (Sal / Ácido). Primero se
resuelve la división interna del paréntesis y luego se presiona la tecla log sobre ese resultado (o asegurate de colocar
correctamente ambos paréntesis). Las concentraciones de las especies deben
estar expresadas preferentemente en Molaridad (M).
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