8.8 Propiedades de los amortiguadores

Pregunta esencial

¿Cómo resiste un amortiguador los cambios de pH?

Al terminar esta lección, deberías poder identificar un amortiguador, escribir las reacciones que usa un amortiguador para neutralizar un ácido fuerte o una base fuerte que se agrega, y explicar a nivel de partículas por qué el pH de un amortiguador casi no cambia. Esto se apoya en las formas HA y A⁻ del Tema 8.7.

¿Qué es un amortiguador?

• Mucho de un ácido débil, HA
• Mucho de su base conjugada, A⁻
• Juntos resisten los cambios de pH

Un amortiguador es una solución que resiste los cambios de pH cuando se agrega una pequeña cantidad de ácido fuerte o de base fuerte. Para preparar uno, necesitas una concentración grande de un ácido débil, HA, y una concentración grande de su base conjugada, A⁻: los dos miembros del par, y mucho de cada uno. Esa es la definición de AP, así que apréndela palabra por palabra. El vaso muestra bastante HA y bastante A⁻ mezclados; H₃O⁺ y OH⁻ están presentes solo en cantidades diminutas comparadas con el par amortiguador. Cada miembro del par tiene su trabajo: el ácido débil reacciona con cualquier base que agregues, y la base conjugada reacciona con cualquier ácido que agregues.

Pares amortiguadores comunes

• Ácido débil + su base conjugada
• Los dos miembros del par difieren en un H⁺

En cada par, el ácido débil se escribe a la izquierda y su base conjugada a la derecha, y difieren exactamente en un H⁺. El ácido acético, CH₃COOH, forma par con el acetato, CH₃COO⁻. El amonio, NH₄⁺, forma par con el amoniaco, NH₃. Puedes pensar en el amortiguador de amoniaco como una base débil más su ácido conjugado, y funciona igual: sirve cualquier par conjugado débil, siempre que los dos miembros estén presentes en cantidades grandes. El ácido carbónico, H₂CO₃, y el hidrogenocarbonato, HCO₃⁻, amortiguan tu sangre para que su pH se mantenga cerca de 7.4. Si el pH de la sangre se aleja aunque sea unas décimas de ese valor, te enfermas gravemente.

Adición de ácido fuerte

• A⁻ reacciona con el H₃O⁺ agregado.
• El ácido fuerte se convierte en un ácido débil.

A⁻ + H₃O⁺ → HA + H₂O

Un ácido fuerte como el HCl produce H₃O⁺ en agua. El amortiguador está lleno de A⁻, que es una base, así que cada A⁻ toma un H⁺ de un H₃O⁺. La reacción llega esencialmente hasta el final, por eso se escribe con una flecha de un solo sentido. El ácido fuerte, H₃O⁺, se consume, y en su lugar hay más HA, que es solo un ácido débil. Cuenta las partículas: el vaso de la izquierda tiene 3 HA y 3 A⁻, y después de la reacción hay 5 HA y 1 A⁻. En un amortiguador real hay tanto HA y A⁻ que este cambio es diminuto. En el examen de AP, cuando te pregunten qué especie reacciona con el ácido agregado, la respuesta es la base conjugada, A⁻, y la reacción debe escribirse con las especies reales, A⁻ reaccionando con H₃O⁺.

Adición de base fuerte

• HA reacciona con el OH⁻ agregado.
• La base fuerte se convierte en una base débil.

HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O

Una base fuerte como el NaOH produce iones OH⁻. Esta vez, el ácido débil del amortiguador hace el trabajo: cada HA le entrega su protón a un OH⁻. La reacción otra vez llega esencialmente hasta el final, así que la base fuerte se consume y se forma más A⁻, que es solo una base débil. Cuenta de nuevo: 3 HA y 3 A⁻ antes, y luego 1 HA y 5 A⁻ después. HA bajó y A⁻ subió en la misma cantidad, la imagen en espejo de agregar ácido. Una forma fácil de recordarlo: el ácido del amortiguador combate la base que se agrega, y la base del amortiguador combate el ácido que se agrega.

Por qué el pH casi no cambia

• Un amortiguador tiene cantidades enormes de HA y A⁻.
• Una adición pequeña causa solo un cambio diminuto.

Imagina un amortiguador con 50 partículas de HA y 50 partículas de A⁻. Agrega 2 H₃O⁺: reaccionan dos partículas de A⁻ y quedan 52 HA y 48 A⁻. Las barras casi no se mueven. El pH de un amortiguador depende de la mezcla de HA y A⁻, y como esa mezcla casi no cambia, el pH tampoco casi cambia. Mientras tanto, el ácido fuerte ya desapareció, convertido en ácido débil. Por eso la definición dice cantidades grandes de ambos: si el amortiguador tuviera solo 3 partículas de A⁻, agregar 2 H₃O⁺ consumiría casi todas y la mezcla cambiaría mucho. En AP Chemistry necesitas explicar esto de forma cualitativa; no te pedirán calcular el pH nuevo después de agregar ácido o base a un amortiguador.

Amortiguador frente a agua pura

• A cada uno se le agrega la misma cantidad de HCl.
• Agua: el pH baja mucho.
• Amortiguador: el pH casi no se mueve.

Dos vasos tienen cada uno 1.0 L. Uno es agua pura, y el otro es un amortiguador con 0.50 M de CH₃COOH y 0.50 M de CH₃COO⁻. A cada uno se le agrega la misma cantidad de HCl, hasta 0.010 mol. El pH del agua pura empieza en 7.00 y se desploma a 2.00. Son cinco unidades completas de pH, lo que significa que [H₃O⁺] aumentó por un factor de 100,000. El amortiguador empieza en 4.74, el pK_a del ácido acético, y termina en 4.72, casi sin moverse, porque el acetato del amortiguador convierte el H₃O⁺ agregado en ácido acético. El agua pura no tiene una base conjugada que reaccione con el H₃O⁺, así que todo se queda en la solución y hace bajar el pH muchísimo. No necesitas calcular ese 4.72 en el examen de AP, pero sí debes poder explicar por qué el pH del amortiguador cambia mucho menos que el del agua.

Preparación de un amortiguador

• Mezcla un ácido débil con una sal de su base conjugada.
• O neutraliza parcialmente un ácido débil con una base fuerte.

La ruta 1 es la más directa: mezclar un ácido débil con una sal de su base conjugada. El acetato de sodio se disuelve por completo y da iones acetato, así que al mezclarlo con ácido acético se obtienen cantidades grandes de ambos, y el Na⁺ es solo un ion espectador. La misma idea funciona para una base débil y su sal, como NH₃ con NH₄Cl. La ruta 2 empieza con un ácido débil y le agrega algo de base fuerte, pero menos de la necesaria para reaccionar con todo el ácido. El OH⁻ convierte parte del ácido acético en acetato (CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O), y lo que queda es una mezcla de ácido acético y acetato: un amortiguador. Esto se conecta con las titulaciones: antes del punto de equivalencia de la titulación de un ácido débil, el matraz contiene HA y A⁻, y por eso la curva es tan plana en esa región amortiguadora. Si se agrega suficiente NaOH para consumir todo el ácido, ya no queda HA y deja de ser un amortiguador.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: ¿Puede amortiguar?

¿Cuál mezcla puede actuar como amortiguador: HCl y NaCl, o HF y NaF? Justifica tu respuesta.

Mostrar la solución

1. Datos: Un amortiguador necesita cantidades grandes de un ácido débil y su base conjugada, los dos miembros de un par conjugado ácido-base débil.
2. Evidencia: El HCl es un ácido fuerte que se ioniza al 100%, así que no quedan moléculas de HCl para reaccionar con la base agregada, y el Cl⁻ es una base despreciable que no reaccionará con el ácido agregado.
3. Evidencia: El HF es un ácido débil, así que se queda sobre todo como moléculas de HF, y el NaF se disuelve y da mucho F⁻, la base conjugada del HF.
4. Afirmación: La mezcla de HF y NaF es un amortiguador.
5. Razonamiento: HF y NaF contienen cantidades grandes de un ácido débil, HF, y su base conjugada, F⁻. El HF puede reaccionar con el OH⁻ agregado, y el F⁻ puede reaccionar con el H₃O⁺ agregado. HCl y NaCl no es un amortiguador porque el HCl es un ácido fuerte completamente ionizado, y el Cl⁻ es una base demasiado débil para reaccionar con el ácido agregado.
6. Respuesta: HF y NaF es el amortiguador

Error común: HCl y Cl⁻ son un par conjugado, pero un amortiguador necesita un par débil.

Ejemplo 2: Ecuación iónica neta

Un amortiguador contiene NH₃ y NH₄Cl. Escribe la ecuación iónica neta de la reacción que ocurre cuando se agrega una pequeña cantidad de HCl.

Mostrar la solución

1. Datos: NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻, así que el amortiguador es NH₃ (base débil) + NH₄⁺ (su ácido conjugado). El Cl⁻ es un ion espectador.
2. Datos: El HCl es un ácido fuerte, así que en agua en realidad es H₃O⁺ (+ Cl⁻).
3. Razonamiento: El ácido agregado reacciona con el miembro básico del amortiguador, el NH₃. El NH₃ toma un protón del H₃O⁺.
4. Ecuación: NH₃ + H₃O⁺ → NH₄⁺ + H₂O, con una flecha de un solo sentido porque la reacción llega esencialmente hasta el final. Escribir NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ también es aceptable.
5. Respuesta: NH₃(aq) + H₃O⁺(aq) → NH₄⁺(aq) + H₂O(l)

Error común: no escribas el HCl como molécula, porque es un ácido fuerte, y no incluyas el Cl⁻, porque es un ion espectador.

Ejemplo 3: Explicación del amortiguador

Se agrega una pequeña cantidad de NaOH a un amortiguador hecho de NH₃ y NH₄Cl. Explica por qué el pH casi no cambia.

Mostrar la solución

1. Datos: El par amortiguador es NH₄⁺ (ácido débil) + NH₃ (base débil). El Cl⁻ es un ion espectador.
2. Datos: NaOH → Na⁺ + OH⁻. El NaOH es una base fuerte, y el Na⁺ es un ion espectador.
3. Ecuación: La base agregada reacciona con el miembro ácido del amortiguador: NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O. Esto llega esencialmente hasta el final, así que la base fuerte se consume y se reemplaza por NH₃, una base débil.
4. Evidencia: [NH₄⁺] disminuye un poco y [NH₃] aumenta un poco. Como el amortiguador empezó con cantidades grandes de ambos, la razón entre los dos casi no cambia.
5. Razonamiento: El OH⁻ agregado reacciona con el NH₄⁺, el ácido débil del amortiguador, así que el OH⁻ no se queda en la solución para subir el pH. Como el amortiguador contiene cantidades grandes de NH₄⁺ y de NH₃, la razón de NH₃ a NH₄⁺ cambia solo un poco, y por eso el pH cambia solo un poco.
6. Respuesta: El NH₄⁺ consume el OH⁻; la razón NH₃ : NH₄⁺ casi no cambia, así que el pH casi no cambia.

Error común: decir que el NH₃ reacciona con el OH⁻. No puede: el NH₃ es una base, y una base reacciona con un ácido, así que tiene que ser el NH₄⁺.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 8.8 Propiedades de los amortiguadores (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Un amortiguador contiene mucho HA y mucho A⁻.
• A⁻ neutraliza el ácido agregado: A⁻ + H₃O⁺ → HA + H₂O.
• HA neutraliza la base agregada: HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O.
• Como hay tanto de los dos, la mezcla HA : A⁻ casi no cambia, así que el pH casi no cambia.

Consejo para el examen: Cuando te pregunten cómo responde un amortiguador a un ácido o una base que se agrega, escribe la ecuación iónica neta con las especies reales (A⁻ con H₃O⁺, o HA con OH⁻), usa una flecha de un solo sentido y deja fuera los iones espectadores.

De vuelta a la pregunta esencial: Cada miembro del par conjugado reacciona con el ácido o la base fuerte que se agrega, y lo convierte en un ácido débil o una base débil. Como hay tanto de los dos, la mezcla de HA y A⁻ casi no cambia, así que el pH casi no cambia. A continuación, el Tema 8.9 usa la ecuación de Henderson-Hasselbalch para calcular el pH de un amortiguador a partir de su pK_a y de las cantidades de HA y A⁻.

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