Soluciones reguladoras

Definiciones

Evaluación de capacidad amortiguadora

Las soluciones reguladoras de pH son aquellas que admiten la adición de cantidades moderadas de ácido o de base sin modificar significativamente su valor de pH

Su importancia radica en procesos químicos, biológicos y fisiológicos donde se requiere mantener el pH del medio dentro de un rango muy limitado, por ejemplo en reacciones enzimáticas.

Se pueden considerar dos tipos de soluciones amortiguadoras:

Soluciones de ácidos o bases fuertes a concentraciones relativamente elevadas

Soluciones que contienen un ácido débil y su base conjugada en concentraciones semejantes (equiparadas)

¿cuál es la variación de pH de 100 ml de agua cuando se adiciona 0,1 ml de NaOH 0,01 M y cuál es la variación si se adiciona 0,1 ml de HCl 0,01 M?

¿cuál es la variación de pH de 100 ml de una solución de HCl 1,0 M cuando se adicionan 0,1 ml de NaOH 0,01 M y cuál es la variación si se adicionan 0,1 ml de HCl 0,01 M?

¿cuál es la variación de pH de 100 ml de una solución de HCl 0,1 M cuando se adicionan 0,1 ml de NaOH 0,01 M y cuál es la variación si se adicionan 0,1 ml de HCl 0,01 M?

¿qué observaciones se pueden hacer sobre estos sistemas?

pH= -log [(Vácido·Cácido – Vbase·Cbase) ]

Vácido + Vbase

¿cuál es la variación pH de 50 ml de una mezcla de ácido acético 0,15 M y acetato de sodio 0,15 M si se adicionan 10 ml de HCl 0,01 M y cuál es el pH de esta solución si se adicionan 10 ml de NaOH 0,01 M?

CH3COOH + CH3COONa + HClVi·Ci 50 ml*0,15 M 50 ml *0,15 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 7,5 mmol 7,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 7,6 mmol 7,4 mmol 0 mmol

pH = 4,75 + logBase conjugada

= 4,75 + logVbc·Cbc ± X

Ácido Va·Ca ± X

CH3COOH + CH3COONa + NaOHVi·Ci 50 ml*0,15 M 50 ml *0,15 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 7,5 mmol 7,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 7,4 mmol 7,6 mmol 0 mmol

X = [H3O+] ó [OH-]

¿cuál es la variación pH de 50 ml de una mezcla de ácido acético 0,05 M y acetato de sodio 0,15 M si se adicionan 10 ml de HCl 0,01 M y cuál es el pH de esta solución si se adicionan 10 ml de NaOH 0,01 M?

CH3COOH + CH3COONa + HClVi·Ci 50 ml*0,05 M 50 ml *0,15 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 2,5 mmol 7,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 2,6 mmol 7,4 mmol 0 mmol

CH3COOH + CH3COONa + NaOHVi·Ci 50 ml*0,05 M 50 ml *0,15 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 2,5 mmol 7,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 2,4 mmol 7,6 mmol 0 mmol

pH = 4,75 + logBase conjugada

= 4,75 + logVbc·Cbc ± X

Ácido Va·Ca ± X

¿cuál es la variación pH de 50 ml de una mezcla de ácido acético 0,05 M y acetato de sodio 0,05 M si se adicionan 10 ml de HCl 0,01 M y cuál es el pH de esta solución si se adicionan 10 ml de NaOH 0,01 M?

CH3COOH + CH3COONa + HClVi·Ci 50 ml*0,05 M 50 ml *0,05 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 2,5 mmol 2,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 2,6 mmol 2,4 mmol 0 mmol

CH3COOH + CH3COONa + NaOHVi·Ci 50 ml*0,05 M 50 ml *0,05 M 10 ml*0,01 M

mmol iniciales 2,5 mmol 2,5 mmol 0,1 mmol

mmol finales 2,4 mmol 2,6 mmol 0 mmol

pH = 4,75 + logBase conjugada

= 4,75 + logVbc·Cbc ± X

Ácido Va·Ca ± X

Capacidad reguladoraLa capacidad amortiguadora se define como la

cantidad molar de ácido o base fuerte que puede desplazar el pH de un litro de solución reguladora en una unidad. Cuantitativamente se simboliza con la letra griega β y se expresa mediante la ecuación:

β = 2,3[Base conjugada]*[ácido]

Ctotal

Esta ecuación corresponde a la primera derivada de la ecuación HH

¿Qué observaciones pueden hacerse de este experimento matemático?

CH3COOH + CH3COONa0,15 M 0,15 M

CH3COOH + CH3COONa0,05 M 0,15 M

CH3COOH + CH3COONa0,05 M 0,05 M

β = 2,3[Base conjugada]*[ácido]

Ctotal

¿cuál es la capacidad amortiguadora de las soluciones de ácido acético y acetato evaluadas anteriormente?

β = 2,3[0,15]*[0,15]

= 0,17250,15 + 0,15

β = 2,3[0,15]*[0,05]

= 0,08630,15 + 0,05

β = 2,3[0,05]*[0,05]

= 0,05750,05 + 0,05

El valor β de una solución reguladora se puede determinar experimentalmente midiendo la cantidad de una solución de un protolito fuerte que logra una variación ∆pH = 1 en una alícuota.

Experimentalmente podemos medir un β frente un ácido, adicionando un ácido fuerte hasta obtener ∆pH = -1 y un β frente a una base, adicionando una base fuerte hasta obtener ∆pH = +1

Esto es muy útil para evaluar la eficacia de una solución reguladora frente a ácidos y bases fuertes.

β =Vfuerte ·Cfuerte

Vsolución reguladora

Una solución reguladora fue evaluada adicionando a cada volumen de 25 ml una solución de HCl 0,1025 M y otra de KOH 0,0995 M respectivamente ¿cuál será su capacidad amortiguadora frente a ácidos fuertes si requieren 21,7 ml de HCl para cambiar el pH de 5,22 a 4,22 ? ¿cuál será su capacidad amortiguadora frente a bases fuertes si requieren 22,3 ml de KOH para cambiar el pH de 5,22 a 6,22 ?

β =Vfuerte ·Cfuerte

Vsolución reguladora

β =(21,7 ml) ·(0,1025 M)

= 0,08897 M25 ml

β =(22,3 ml) ·(0,0995 M)

= 0,088754 M25 ml

¿cuánto volumen de KOH 0,0995 M y de HCl 0,1025 M serán requeridos para para cambiar una unidad de pH en las soluciones de ácido acético y acetato de la diapositiva N° 9?

Al preparar una solución reguladora se ha de escoger el ácido más adecuado. Es recomendable uno con un pKa próximo al pH deseado.

Se desea preparar una solución reguladora 0,2 M que mantenga un pH de 7,1 ; de los siguientes sistemas propuestos ¿qué concentraciones de sus componentes serán requeridos y cuál sistema será más adecuado?

CH3COOH + CH3COONapKa = 4,758,89*10-4 M 0,1991 M

KH2PO4 + K2HPO4pKa = 7,21

0,1125 M 0,087 M

pH = pKa + logBase conjugada

Ácido

Para determinar las concentraciones utilizamos la ecuación HH

β = 2,3[8,89*10-4]*[0,1991]

= 0,00208,89*10-4 + 0.1991

β = 2,3[0,1125]*[0,087]

= 0,11310,1125 + 0,087

El sistema de fosfatos tiene un β mayor, es decir que podrá soportar mayor cantidad de moles de ácidos o bases fuertes que la mezcla de acetatos

La capacidad amortiguadora es un indicativo de la eficacia de las soluciones amortiguadoras, y será óptima en la medida que:

La concentración del ácido y la base conjugada utilizadas sea suficientemente alta

La proporción entre el ácido y la base sea lo mas equiparada posible

Se utilice un ácido con un pKa lo más cercano posible al pH deseado

Resumen

Para próxima clase:Investigar y estudiar sobre:• Preparación de soluciones

reguladoras• ¿Qué es normalidad?• Valoraciones volumétricas

ácido-base, redox, precipitación y complejométricas

Estar pendientes de su correo electrónico