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Ácido-Base, pH y soluciones amortiguadoras
Aunque hay muchas diferentes definiciones de los ácidos y las bases, en esta sección describiremos los fundamentos de la química de los ácidos y las bases.
A finales de 1800, el científico sueco Svante Arrhenius propuso que el agua puede disolver
muchos compuestos separándolos en sus iones individuales y definió los ácidos y bases.
Ácidos y bases según Arrhenius
Ácidos: son compuestos que contienen hidrógeno y pueden disolverse en el agua liberando iones de hidrógeno a la solución. Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) se disuelve en el agua de la siguiente manera:
Bases: compuestos que se disuelven en agua liberando iones hidroxilo (OH-) a la solución. Por ejemplo, una base típica es el hidróxido de sodio (NaOH):
En 1923, el científico danés Johannes Brønsted y el inglés Thomas Lowry publicaron, en forma independiente, trabajos que redefinieron la teoría de Arrhenius.
Ácidos y bases según Brønsted y Lowry
Ácidos: cualquier compuesto que pueda donar un ión de hidrógeno. Los ácidos son comúnmente referidos como donantes de protones, porque un ión de hidrógeno es simplemente un protón (H+).
Bases: cualquier compuesto que puede aceptar un ión de hidrógeno. La definición de Brønsted-Lowry logra explicar por qué las substancias que no contienen OH- pueden actuar como bases.
pH: En la definición de Brønsted-Lowry, los ácidos y las bases están relacionados con la concentración del ión de hidrógeno presente. Los ácidos aumentan la concentración de iones de hidrógeno, mientras que las bases disminuyen en la concentración de iones de hidrógeno (al aceptarlos). Por consiguiente, la acidez o la alcalinidad de una solución puede ser medida por su concentración de iones de hidrógeno.
La expresión numérica de la acidez de una disolución se obtiene por aplicación de la función
matemática logaritmo a la concentración de protones de una solución, lo que se denomina pH, y que genera una escala de pH para disoluciones menores a 1M de protones, esta expresión es la siguiente:
El pH, en términos prácticos, mide el grado de acidez y alcalinidad de las soluciones acuosas. En 1909, el bioquímico danés Sören Sörensen inventó la escala de pH (de 1 a 14) para medir la acidez.
Los ácidos fuertes se ionizan completamente en solución acuosa:
En cambio los ácidos débiles son aquellos que se disocian muy poco en solución acuosa, tal como el ácido acético, la reacción de disociación se encuentra en equilibrio:
Los compuestos que tienen la propiedad de comportarse como ácidos o como bases se
denominan anfóteros o anfolitos (H2O).
Soluciones Amortiguadoras
Son soluciones formadas por ácidos o bases débiles y su sal. Tienen la capacidad de amortiguar o equilibrar los cambios de pH que se producen en la solución al agregar ácidos o bases sobre ella. Por ejemplo en la sangre los principales sistemas amortiguadores:
H2CO3/ HCO3- y H2PO4-/ HPO4=
Al agregar al ácido débil HA una concentración determinada de base fuerte BOH de igual concentración, se obtiene una curva de titulación con las siguientes características:
En la figura se puede apreciar una zona en que el pH prácticamente no varía (zona tampón) y que corresponde al pKa (-log Ka) del ácido débil. La concentración de ácido sin neutralizar y de sal formada en este punto son iguales, el pH en este punto corresponde al pKa (- log Ka).
Esta propiedad se aprovecha para preparar soluciones entre un ácido o base débil y su sal en el rango de concentraciones que permite absorber cantidades de ácido o base sin producir grandes cambios de pH.
Cálculo de pH de un amortiguador:
Para un amortiguador constituido por
CH3-COOH y CH3-COONa
El ácido se encuentra parcialmente disociado y la sal se disocia por completo
El pH de una solución amortiguadora según las concentraciones del ácido y su sal se puede calcular utilizando la ecuación de Henderson-Hasselbach:
De esta forma, este tipo de soluciones tiene la propiedad de mantener el pH estable dentro de un rango, este es el caso del par conjugado ácido carbónico-ión bicarbonato, que en la sangre actúa como tampón y mantiene el pH en 7,4 +/- 0,5.
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