Capacidad amortiguadora

La capacidad amortiguadora se refiere a la  cantidad de ácido o base que una solución   amortiguadora puede neutralizar antes  de que haya grandes cambios en el pH. Un aumento de la capacidad amortiguadora  representa una mayor cantidad de ácido   o base neutralizada antes de  que el pH cambie drásticamente. Comparemos la solución amortiguadora  uno y la solución amortiguadora dos,   y observemos cuál tiene la  mayor capacidad amortiguadora. La solución amortiguadora uno tiene  una concentración de ácido acético   de 0.250 molar y una concentración de  anión acetato también de 0.250 molar. La solución amortiguadora dos también  consiste en ácido acético y el anión acetato.  Sin embargo, en este caso, ambas  concentraciones son 0.0250 molar.  Entonces, la solución amortiguadora  uno tiene una concentración más alta   tanto del ácido acético como del anión acetato. Calculemos el pH inicial de ambas  soluciones amortiguadoras utilizando   la ecuación de Henderson-Hasselbalch. En la ecuación de Henderson-Hasselbalch, el   pH de la solución es igual al pka del ácido débil,  que para ambas soluciones es ácido acético más el   logaritmo de la concentración de la base conjugada  dividida entre la concentración del ácido débil. En este caso, la base conjugada es el anión  acetato, de modo que esto es igual a la   concentración del anión acetato dividida  entre la concentración de ácido acético. Para la solución amortiguadora número uno,   la concentración del anión acetato es  igual a la concentración de ácido acético. Por lo tanto, la relación de sus  concentraciones es igual a uno.  Y lo mismo ocurre con la solución  amortiguadora número dos:   la concentración del anión acetato es  igual a la concentración del ácido acético. Por lo que para la solución amortiguadora dos,   la relación de sus concentraciones  también es igual a uno.  Como la relación de las concentraciones es igual  a uno, el logaritmo de uno es igual a cero,   y el valor pka del ácido acético a  25 grados Celsius es igual a 4.74. Así que el pH de ambas soluciones amortiguadoras  es igual a 4.74 más cero, o simplemente 4.74. Empezamos con dos soluciones amortiguadoras,   cada una con un pH de 4.74, y les vamos a  añadir 0.0200 moles de aniones hidróxido. Y, al calcular el cambio de pH después  de añadir los aniones hidróxido,   podremos ver qué solución amortiguadora  tiene la mayor capacidad amortiguadora. Los aniones hidróxido añadidos  quedarán neutralizados por el   ácido débil del sistema amortiguador, es decir,   el ácido acético. Entonces, el ácido acético  va a reaccionar con los aniones hidróxido. Para facilitar las operaciones matemáticas,  supongamos que el volumen total de las   soluciones amortiguadoras es un litro, tanto antes como después de añadir la base. Entonces, si el volumen total es  un litro y la concentración de   ácido acético es igual a 0.250 molar  en la solución amortiguadora uno,   eso significa que hay 0.250 moles  de ácido acético en la solución. Esos 0.250 moles del ácido acético reaccionarán   con los 0.0200 moles de aniones  hidróxido que estamos añadiendo. Calculemos el pH de la solución amortiguadora  uno después de añadir los aniones hidróxido. Los aniones hidróxido reaccionan con ácido  acético para formar agua y el anión acetato. En la solución amortiguadora uno, los moles  iniciales tanto del ácido acético como del anión   acetato son 0.250, y a esa solución le estamos  añadiendo 0.0200 moles de aniones hidróxido. Como ayuda para encontrar los moles finales  de ácido acético y el anión acetato,   vamos a usar una tabla ICF, donde  I es la cantidad inicial de moles,   C es el cambio en moles y F  es la cantidad final de moles. Para esta reacción, los aniones  hidróxido son el reactante limitante,   así que vamos a agotar los 0.0200 moles de  aniones hidróxido, y nos quedamos sin nada. Dado que la relación molar de aniones hidróxido  a ácido acético es uno a uno, también vamos a   usar 0.0200 moles de ácido acético, entonces  nos quedan 0.230 moles de ácido acético. Y para el anión acetato, también hay un  coeficiente de uno en la ecuación balanceada.  Al perder 0.0200 moles de reactantes, estamos  ganando 0.0200 moles del anión acetato,   lo que nos da una cantidad final de  moles del anión acetato de 0.270. Ahora que tenemos nuestros moles  finales, estamos listos para calcular   el pH de la solución amortiguadora. El pH es igual al valor de pka,   que para el ácido acético es 4.74, más el  logaritmo de la relación de las concentraciones. Y podríamos poner aquí las concentraciones,  pero dado que la concentración o la molaridad   es igual a moles sobre litros, una relación de  las concentraciones simplemente cancelaría el   volumen porque es lo mismo tanto para nuestra  base conjugada como para nuestro ácido débil. Así que una relación de moles es lo mismo que una   relación de concentraciones en la  ecuación de Henderson-Hasselbalch. Y podemos obtener nuestros moles  directamente de la tabla ICF.  El valor de los moles del  anión acetato es igual a 0.270,   y el valor de los moles del  ácido acético es igual a 0.230. Y cuando resolvemos para hallar el pH, vemos  que el pH de la solución es igual a 4.81. Entonces, la solución amortiguadora uno comenzó  con un pH de 4.74, y después de añadir los aniones   hidróxido, el pH subió un poco a 4.81, pero ese  es un cambio relativamente pequeño en el pH. Así   que la solución amortiguadora uno hizo un buen  trabajo para impedir un gran cambio en el pH. A continuación, calculemos el pH de la solución   amortiguadora dos después de  añadir los aniones hidróxido. Los moles iniciales de ácido acético en  la solución amortiguadora dos es igual   a 0.0250 moles, que es el mismo número  de moles que el anión acetato, 0.0250,   y la cantidad de aniones hidróxido  que añadimos es 0.0200 moles. Una vez más, los aniones hidróxido  son el reactante limitante,   por lo que todos los aniones hidróxido  se agotan y nos quedamos con cero moles. Dado que la relación molar de aniones  hidróxido a ácido acético es uno a uno,   usamos la misma cantidad de  ácido acético, 0.0200 moles,   y nos quedamos con 0.0050 moles de ácido  acético después de la neutralización. Y como hay un coeficiente igual  a 1 frente al anión acetato,   el anión acetato va a ganar 0.0200 moles para  obtener una cantidad final de 0.0450 moles. Ahora podemos calcular el pH de la solución  utilizando la ecuación de Henderson-Hasselbalch. El pH es igual al valor pka del ácido  acético que es 4.74, más el logaritmo de   la concentración de la base conjugada dividida  entre la concentración del ácido débil. Y podemos tomar los moles de nuestra tabla  ICF y sustituir los moles de anión acetato   y los moles de ácido acético, y  luego resolver para hallar el pH. Cuando resolvemos, vemos que el pH de la  solución amortiguadora dos es igual a 5.69. Entonces, la solución amortiguadora dos comenzó  con un pH de 4.74, y después de añadir los aniones   hidróxido, el pH subió a 5.69, eso es un aumento  relativamente grande en el pH de la solución. Volviendo a la solución amortiguadora uno,   el pH inicial fue de 4.74, y el pH  subió a 4.81 tras añadir la base.  Para la solución amortiguadora dos,  comenzamos en 4.74 y el pH subió a 5.69. Por lo tanto, la solución amortiguadora uno tenía   una mayor capacidad para neutralizar la  base añadida, de modo que decimos que la   solución amortiguadora uno tiene  la mayor capacidad amortiguadora. Y como la solución amortiguadora dos tuvo  el cambio más drástico en el pH después de   añadir la misma cantidad de base, la  solución amortiguadora dos tiene una   capacidad reducida para neutralizar la base en  comparación con la solución amortiguadora uno. Por eso decimos que la solución amortiguadora  dos tiene una capacidad amortiguadora reducida.  Recordemos que la única diferencia entre  estas dos soluciones amortiguadoras es   que la primera tenía una concentración más  alta de ácido acético y de anión acetato. Por lo tanto, cuanto mayor sea  la concentración del ácido débil   y de la base conjugada, mayor  es la capacidad amortiguadora. Acabamos de ver dos soluciones  amortiguadoras en las que las   concentraciones de ácido débil  y base conjugada eran iguales. Sin embargo, una solución amortiguadora no  tiene por qué comenzar con concentraciones   iguales del ácido débil y su base conjugada. Por ejemplo, cuando la concentración  de ácido débil es mayor que la   concentración de la base conjugada,  la solución amortiguadora tiene una   mayor capacidad para añadir la  base que para añadir el ácido. Y cuando la concentración de base conjugada es  mayor que la concentración de ácido débil, la   solución amortiguadora tiene una mayor capacidad  para añadir el ácido que para añadir la base. Como ejemplo, pensemos en la  sangre, que tiene un pH de 7.4.  El principal sistema amortiguador  utilizado para controlar el pH de la   sangre es el de bicarbonato y ácido carbónico. En sangre, la concentración de bicarbonato  es mayor que la concentración de ácido carbónico. Y como el bicarbonato es la base conjugada del   ácido carbónico, la concentración  de la base conjugada es mayor que   la concentración del ácido débil. Por lo tanto el sistema amortiguador   tiene una mayor capacidad para añadir  el ácido que para añadir la base. La razón por la cual el sistema amortiguador  necesita una mayor capacidad de añadir ácido es   porque los productos del metabolismo que ingresan  al torrente sanguíneo son en su mayoría ácidos y   por tanto el anión bicarbonato puede reaccionar  con esos productos ácidos y neutralizarlos.  Por lo tanto, el sistema amortiguador es capaz  de impedir grandes cambios en el pH de la sangre.