Ácidos, bases, pH y soluciones amortiguadoras

Aunque nunca hayas puesto un pie dentro de un laboratorio de química, es muy probable que sepas una o dos cosas sobre ácidos y bases. Por ejemplo, ¿has bebido jugo de naranja o refresco de cola? Si es así, conoces algunas soluciones ácidas comunes. Y si alguna vez has utilizado bicarbonato de sodio o claras de huevo en tu cocina, entonces también estás familiarizado con algunas bases$^1$start superscript, 1, end superscript.

Tal vez hayas notado que las cosas ácidas suelen tener sabores agrios, o que algunas cosas básicas, como el jabón o el blanqueador, tienden a ser resbalosas. Pero ¿qué significa realmente que algo sea ácido o básico? Para darte una respuesta rápida:

Para conocer el origen de esta definición, echemos un vistazo a las propiedades ácido-base del agua.

Los iones hidrógeno se generan espontáneamente en el agua pura mediante disociación (ionización) de un pequeño porcentaje de moléculas de agua. Este proceso se llama autoionización del agua:

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(l)}$start text, left parenthesis, l, right parenthesis, end text $\rightleftharpoons$\rightleftharpoons $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript $\text{(ac)}$start text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, end text + $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{(ac)}$start text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, end text

Las letras entre paréntesis solo significan que el agua es líquida (l), y que los iones están en solución acuosa (base de agua) (ac).

Como se muestra en la ecuación, la disociación produce el mismo número de iones hidrógeno (H$^+$start superscript, plus, end superscript) y de iones hidroxilo (OH$^-$start superscript, minus, end superscript). Mientras que los iones hidroxilo pueden flotar en su forma iónica en la solución, los iones hidrógeno son transferidos directamente a una molécula vecina de agua para formar iones hidronio (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Entonces, en realidad no hay iones H$^+$start superscript, plus, end superscript que flotan libremente en el agua. Sin embargo, los científicos siguen refiriéndose a los iones hidrógeno y su concentración como si flotaran libres y no en forma de hidronio; esto es una simplificación que utilizamos por convención.

Así que, ¿cuántas moléculas de agua se disocian realmente en una jarra de agua? La concentración de iones hidrógeno producida por la disociación en agua pura es 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M (moles por litro de agua).

¿Es esto mucho o poco? Aunque el número de iones hidrógeno en un litro de agua pura es grande en la escala en la que normalmente pensamos (en la escala de mil billones), el número total de moléculas de agua en un litro – disociadas y no disociadas – es aproximadamente 33,460,000,000,000,000,000,000,000$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript. (¡Algo para pensar cuando bebas tu próximo vaso de agua!) Entonces, las moléculas de agua autoionizadas son tan solo una fracción muy pequeña del número total de moléculas en cualquier volumen de agua pura.

Las soluciones se clasifican como ácidas o básicas de acuerdo con su concentración de iones hidrógeno relativa al agua pura. Las soluciones ácidas tienen una concentración de H$^+$start superscript, plus, end superscript mayor que el agua (mayor a 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), mientras que las soluciones básicas (alcalinas) tienen una concentración de H$^+$start superscript, plus, end superscript menor (menor a 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M). Normalmente, la concentración de iones hidrógeno de una solución se expresa en términos de pH. El pH se calcula como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno en una solución:

Los corchetes que encierran al H$^+$start superscript, plus, end superscript solo significan que nos referimos a su concentración. Si introducimos la concentración de iones hidrógeno del agua (1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M) en esta ecuación, obtendremos un valor de 7.0, también conocido como pH neutro. En el cuerpo humano, tanto la sangre como el líquido intracelular tienen valores de pH cercanos al neutro.

La concentración de H$^+$start superscript, plus, end superscript deja de ser neutra cuando se añade un ácido o una base a una solución acuosa (basada en agua). Para nuestros propósitos, un ácido es una sustancia que aumenta la concentración de iones hidrógeno (H$^+$start superscript, plus, end superscript) en una solución, usualmente al donar uno de sus átomos de hidrógeno por disociación. Una base, en cambio, aumenta el pH al aportar iones hidroxilo (OH$^-$start superscript, minus, end superscript) o algún otro ion o molécula que recoja los iones hidrógeno y los elimine de la solución. Esta es una definición sencilla de ácidos y bases que funciona bien para los sistemas biológicos. Si quieres aprender más acerca de las definiciones de ácidos y bases, visita la sección de química.

Cuanto más fuerte es el ácido, más rápido se disocia para generar H$^+$start superscript, plus, end superscript. Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) se disocia completamente en iones hidrógeno y cloruro cuando se mezcla con agua, por lo que se considera un ácido fuerte. Por otro lado, los ácidos en el jugo de jitomate o el vinagre no se disocian por completo en el agua y se consideran ácidos débiles. De manera similar, las bases fuertes como el hidróxido de sodio (NaOH) se disocian completamente en el agua, liberando iones hidroxilo (u otros tipos de iones alcalinos) que puedan absorber H$^+$start superscript, plus, end superscript.

La escala de pH se usa para clasificar soluciones en términos de su acidez o alcalinidad (qué tan básica es). Puesto que la escala está basada en valores de pH, es logarítmica, lo que significa que un cambio en una unidad de pH corresponde a un cambio diez veces mayor en la concentración de iones H$^+$start superscript, plus, end superscript. A menudo se dice que la escala de pH va de 0 a 14 y la mayoría de las soluciones entran en este rango, sin embargo es posible encontrar soluciones con pH menor a 0 o mayor a 14. Cualquier valor menor a 7.0 es ácido y cualquier valor mayor a 7.0 es básico o alcalino.

El pH dentro de las células humanas (6.8) y el de la sangre (7.4) son muy cercanos al neutro. Los valores de pH extremos, por arriba o por debajo de 7.0, generalmente se consideran desfavorables para la vida. Sin embargo, el ambiente dentro de tu estómago es muy ácido, con un pH de entre 1 y 2. ¿Cómo resuelve este problema el estómago? La respuesta: ¡células desechables! Las células estomacales, especialmente aquellas que entran en contacto directo con el ácido estomacal y el alimento, mueren y son constantemente reemplazadas por nuevas. De hecho, el recubrimiento del estómago humano es sustituído por completo cada siete a diez días.

La mayoría de los organismos, incluidos los seres humanos, necesitan mantener el pH dentro de un rango muy reducido para poder sobrevivir. Por ejemplo, la sangre humana necesita mantener su pH justo alrededor de 7.4 y evitar variaciones significativas hacia arriba o hacia abajo, aun cuando sustancias ácidas o alcalinas entren o salgan del torrente sanguíneo.

Las soluciones amortiguadoras, capaces de resistir cambios en el pH, son indispensables para mantener estable la concentración de iones hidrógeno H$^+$start superscript, plus, end superscript en los sistemas biológicos. Cuando hay demasiados iones H$^+$start superscript, plus, end superscript, una solución amortiguadora absorberá parte de ellos, subiendo el pH; y cuando hay muy pocos, la solución amortiguadora aportará algunos de sus propios iones H$^+$start superscript, plus, end superscript para reducir el pH. Las soluciones amortiguadoras consisten generalmente de un par ácido-base, cuya diferencia radica en la presencia o ausencia de un protón (un par ácido-base conjugado).

Por ejemplo, una de las soluciones amortiguadoras que mantienen el pH en la sangre humana está formada por el ácido carbónico (H$_2$start subscript, 2, end subscriptCO$_3$start subscript, 3, end subscript) y su base conjugada, el ion bicarbonato (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start superscript, minus, end superscript). El ácido carbónico se forma cuando el dióxido de carbono entra al torrente sanguíneo y se combina con el agua, y es la forma principal en la que el dióxido de carbono viaja en la sangre entre los músculos (donde se produce) y los pulmones (donde es liberado como producto de desecho).

Si se acumulan demasiados iones H$^+$start superscript, plus, end superscript, la ecuación de arriba se moverá hacia la derecha y los iones bicarbonato absorberán los H$^+$start superscript, plus, end superscript para formar ácido carbónico. De igual manera, si la concentración de H$^+$start superscript, plus, end superscript baja demasiado, la ecuación irá hacia la izquierda y el ácido carbónico se convertirá en bicarbonato, donando iones H$^+$start superscript, plus, end superscript a la solución. Sin este sistema amortiguador, las variaciones en el pH del cuerpo humano serían tan grandes que pondrían en riesgo la supervivencia.