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Soluciones ReguladorasUna solución reguladora o Buffer tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se agregan pequeñas cantidades de ácidos como de bases.Una disolución amortiguadora debe contener una concentración relativamente grande de acido para reaccionar con los iones OH que se le añadan; y también debe contener una concentración semejante de base para que reaccione con la cantidad de iones H+ que se le añadan. Además los componentes ácidos y básicos no deben consumirse el uno al otro. Estos requerimientos se satisfacen con un par acido –base conjugado, por ejemplo, un acido débil y su base conjugada (suministrada por una sal) o una base débil y su acido conjugado (suministrado por la sal). Un acido débil (o una base débil) se disocia muy poco en solución. Al añadir la base (o el acido conjugado) por medio de la sal, este tampoco reacciona apreciablemente con el agua ya que también es débil. Además, la presencia de la base (o el acido) conjugado reprime aun más la disociación del acido (o la ionización de la base) por efecto del ion común. De esta manera se logra que el acido y la base conjugada no se neutralicen entre sí.

ECUACION DE HENDERSON-HASSELBALCH SIMPLIFICADA

Si no se trabaja con soluciones muy diluidas (concentraciones mayor a 0,001M) la ecuación de Henderson-Hasselbalch, es simplemente una forma transformada de la expresión de la constante de equilibrio:

Para un sistema acido débil y su base conjugada:

Para un sistema base débil y su acido conjugado:

En este caso el pKa se aplica al acido conjugado.

Nótese que el volumen de la disolución es irrelevante ya que se cancelan en el numerador y el denominador del término logarítmico:

Entonces:

El mismo tratamiento se aplica al sistema base-acido conjugado.

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MECANISMO DE AMORTIGUACION

Supongamos un sistema regulador acido-base conjugado. El pH puede calcularse por la expresión:

Si se introduce un acido fuerte HX en una concentración pequeña CX, reacciona con la base A- disminuyendo su concentración y aumentando la del acido HA,

Por lo cual el valor del pH se verá modificado según:

En el caso de añadir una base fuerte MOH en concentración CM, la base reacciona con el acido HA disminuyendo su concentración y aumentando la de la base A- :

La expresión final del pH seria:

En cualquiera de los dos casos el resultado de la adición es incrementar la concentración de uno de los componentes del Buffer y disminuir la concentración del otro componente. Estos cambios tienen efectos menores sobre la relación HA/A- por lo cual el pH de la solución variara muy poco.

OBTENCION DE SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

1) Por mezcla directa de los componentes en solución:

Un acido débil con su base conjugada Una base débil con su acido conjugado

En ambos casos se mezclan el acido débil (o la base débil) con su base conjugado ( o su acido conjugado) en forma de sal.

2) Generando “In situ” por neutralización parcial con acido o base fuerte el acido o la base conjugada del acido o base débil en acido en solución:

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a) Un acido débil en exceso con una base fuerte

La base fuerte agregada neutraliza parcialmente al acido débil HA generando así la base conjugada A-:

Como el acido débil se encuentra exceso, las especies en solución serán HA y A-

ya que la pequeña cantidad de base fuerte añadida es utilizada para generar la base conjugada del acido y es consumida por completa.

De esta manera, el número de moles de base conjugada es igual al número de moles de base fuerte agregada.

Como partimos de la forma acida del par HA debe añadirse una base fuerte B para que a través de la reacción:

Se genere in situ la forma básica A-, necesaria para que se forme el buffer. Reemplazando estos resultados en la ecuación de Henderson-Hasselbach:

O bien:

b) Una base débil en exceso con un acido fuerte

En este caso, el acido fuerte agregada neutraliza parcialmente a la base débil B generando así el acido conjugado conjugada HB+:

Como la base débil se encuentra exceso, las especies en solución serán B y HB+

ya que la pequeña cantidad de acido fuerte añadida es utilizada para generar el acido conjugada de la base y es consumido por completo.

De esta manera, el numero de moles de acido conjugado es igual al número de moles de acido fuerte agregado.

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Como partimos de la forma básica del par, B debe añadirse una Acido fuerte HA para que a través de la reacción

Se genere in situ la forma acida HB , necesaria para que se forme el buffer. Para preparar esta disolución partimos de las siguientes soluciones:

Solución de acido Fuerte HA Solución de base débil B (en exceso)

Entonces, usando la ecuación de Henderson-Hasselbach se tiene que:

O bien:

PREPARACION DE UNA SOLUCION AMORTIGUADORA

Al preparar un amortiguador para un pH deseado, se debe seleccionar el sistema acido-sal (o base – sal) en el cual el pKa del acido este lo más cerca posible al pH que se desea amortiguar. Para ello, la proporción acido-sal debe ser cercano a uno. Esto significa que las cantidades de sal y acido usadas para preparar la solución amortiguadoras deben ser iguales, por lo cual la relación acido/base conjugada será:

Por lo cual resulta y . Con esta selección, se obtiene la máxima efectividad contra el incremento del pH, es decir, se obtiene la máxima capacidad reguladora.

El intervalo útil de pKa para la preparación de una solución amortiguadora de un pH específico es:

Fuera de este intervalo no hay suficiente cantidad ni de acido débil ni de base conjugada, para reaccionar con el acido y base añadidos.

a) Determinación de Volúmenes para preparación de un buffer de pH especifico

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Para determinar los volúmenes que se necesitan para hacer un buffer de pH determinado se considera que

y usando la expresión

(1)

para un sistema acido base conjugado, o bien

(2)

si se tiene un sistema base conjugada -acido. combinando las expresiones de pH y la de volumen total es posible determinar los volúmenes de acido y base respectivamente.

b) Determinación de Concentraciones para preparación de un buffer de pH especifico

Consideremos un acido débil monoprótico HA, de constante Ka, con una concentración Ca, y una sal de su base conjugada NaA de concentración Cb, las reacciones que tienen lugar son:

La condición de equilibrio es:

El balance de carga ( BC )es:

Los balances de masas (BM) son:

(1)

Puesto que tanto la sal como el acido generan las especies y , entonces la concentración total de ambos iones será la suma del aporte de la sal NaA y el acido HA:

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(3)

Combinando las expresiones (1) o (2) según el caso con (3) se puede determinar las concentraciones de acido y base para preparar un buffer de un pH determinado.