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Química · Unidad 11 — Ácidos y bases

Soluciones amortiguadoras e indicadores

Una amortiguadora no impide que el pH cambie: hace que cambie poquito. Y el indicador es el que traduce ese pH a un color que se puede ver.

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La explicación

Qué hay adentro de una amortiguadora

Una solución amortiguadora —también llamada buffer o reguladora— es una mezcla de un ácido débil y su base conjugada, los dos presentes en cantidades comparables. Por ejemplo, ácido acético y acetato de sodio en el mismo vaso.

La clave es que estén los dos. El ácido solo no amortigua, y su sal sola tampoco: hace falta uno de cada lado del par.

Por qué funciona

La mezcla tiene una reserva de cada cosa, y cada reserva atiende a un tipo de agresión:

En los dos casos el intruso se transforma en un integrante del par en vez de quedar libre. Lo que cambia no es el pH sino la proporción entre las dos formas, y el pH depende de esa proporción de manera logarítmica, que es una manera suave.

Por eso hay un límite: si se agrega tanto ácido que se agota el A⁻, el buffer deja de amortiguar y el pH se desploma. A esa reserva se la llama capacidad de la amortiguadora.

La ecuación de Henderson-Hasselbalch

pH = pKa + log ( [base] / [ácido] )

Tres lecturas que valen más que la fórmula:

1. Si las dos concentraciones son iguales, el log da 0 y pH = pKa. Ése es el corazón del buffer.
2. Si hay diez veces más base, el log da 1 y el pH sube una unidad sobre el pKa.
3. Si hay diez veces más ácido, el log da −1 y el pH baja una unidad.

De ahí sale la zona útil: una amortiguadora sirve aproximadamente entre pKa − 1 y pKa + 1. Fuera de esa franja una de las dos reservas ya está casi agotada. Y por eso elegir el buffer es elegir el par: para regular a pH 5 hay que buscar un ácido de pKa cercano a 5, no ajustar cualquiera.

Como en la fórmula aparece un cociente, se puede usar con moles en vez de concentraciones siempre que las dos estén en el mismo volumen: el volumen se cancela. Eso ahorra un paso en los ejercicios de agregado.

El efecto del ion común

Agregarle acetato a una solución de ácido acético corre el equilibrio hacia la izquierda y baja la disociación del ácido. Es Le Chatelier aplicado a un ion que ya estaba: por eso el pH de una amortiguadora no se calcula con √(Ka·C) como en el tema anterior, sino con Henderson-Hasselbalch.

Indicadores

Un indicador ácido-base es, él mismo, un ácido débil cuya forma protonada y cuya forma desprotonada tienen colores distintos. Cuál predomina depende del pH, así que el color es una lectura del pH.

El cambio no es abrupto: ocurre en una franja de aproximadamente dos unidades alrededor del pKa del indicador, llamada intervalo de viraje.

anaranjado de metilo 3,1 – 4,4  ·  azul de bromotimol 6,0 – 7,6  ·  fenolftaleína 8,2 – 10,0

Elegir un indicador para una valoración es elegir el que vira donde está el punto final. Con ácido fuerte y base fuerte el punto de equivalencia cae en pH 7 y sirve el azul de bromotimol; con un ácido débil y una base fuerte, en cambio, la sal que queda es básica y el punto de equivalencia está por encima de 7, así que va la fenolftaleína.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Se prepara 1,00 L de solución con 0,10 mol de un ácido débil HA y 0,10 mol de su sal NaA. El ácido tiene Ka = 1,0×10⁻⁵. a) Calculá el pH. b) ¿Cuánto A− haría falta, por litro, para llevar el pH a 6 manteniendo [HA] = 0,050 M? c) ¿Serviría este par para preparar una amortiguadora de pH 9?

a) El pH de la mezcla. Primero el pKa, que es lo que la ecuación usa:

pKa = −log(1,0 × 10⁻⁵) = 5

Las dos especies están en la misma cantidad, 0,10 mol de cada una, así que el cociente vale 1:

pH = pKa + log(0,10 / 0,10) = 5 + log(1) = 5 + 0 = 5

Un buffer equimolar tiene pH igual al pKa, siempre. No hace falta ni el volumen ni sacar cuentas de disociación: el volumen se cancela dentro del cociente.

Control. pH 5 es ácido, y corresponde: el par proviene de un ácido débil. Un buffer no tiende a 7 por ser buffer. ✔

b) Subir una unidad. Queremos pH 6 con pKa 5, o sea una unidad por encima:

6 = 5 + log([A⁻]/[HA])  ⇒  log([A⁻]/[HA]) = 1  ⇒  [A⁻]/[HA] = 10

Hace falta diez veces más base conjugada que ácido. Con [HA] = 0,050 M:

[A⁻] = 10 · 0,050 = 0,50 M

Fijate que subir una sola unidad de pH costó un factor diez en la proporción. Ésa es la resistencia del buffer, vista desde el otro lado.

c) A pH 9, no. La zona útil de este par va de pKa − 1 a pKa + 1, o sea de 4 a 6. Para llegar a 9 haría falta un cociente de 10⁴: por cada molécula de HA, diez mil de A⁻. Con tan poco ácido no queda reserva para neutralizar bases, y el pH se iría a la primera gota. Para pH 9 hay que cambiar de par, buscando uno de pKa cercano a 9.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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