SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

SOLUCIONES AMORTIGUADORAS Soluciones amortiguadoras son aquellas soluciones cuya concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes. El objeto de su empleo, tanto en técnicas de laboratorio como en la finalidad funcional del plasma, es precisamente impedir o amortiguar las variaciones de pH y, por eso, suele decirse que sirven para mantener constante el pH. Los más sencillos están formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con base fuerte, por ejemplo, una mezcla de ácido acético y acetato de sodio; o bien una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte, por ejemplo, amoníaco y cloruro c loruro de amonio. La aplicación más importante de esta teoría de los amortiguadores es, para los fisiólogos, el estudio de la regulación del equilibrio ácido-base. Para dar una idea de la importancia de los amortiguadores de la sangre, recordemos que la concentración de hidrogeniones del agua pura experimenta una elevación inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido cualquiera, y crece paralelamente a la cantidad de ácido añadido. No ocurre así en la sangre, que admite cantidades del mismo ácido, notablemente mayores, sin que la concentración de hidrogeniones aumente de una manera apreciable. 

Mecanismo de la acción amortiguadora

Supongamos un amortiguador constituido de ácido acético y acetato de sodio. El ácido estará parcialmente disociado estableciendo un equilibrio entre las partículas de ácido sin disociar los iones hidrógenos y los iones de base conjugada. El acetato de sodio, como todas las sales, está disociado completamente y, por esta causa, el ión acetato procedente de la sal desplaza el equilibrio hacia la formación de ácido, disminuyendo la concentración de hidrogeniones libres. La presencia conjunta de la sal y el ácido hace decrecer la acidez libre. Si las cantidades de sal y ácido son del

mismo orden de magnitud, la concentración de iones hidrógenos se regulará por la reacción de equilibrio del ácido, es decir CH3-COOH ↔ CH3-COO - + H+ Si añadimos al sistema un ácido fuerte, por ejemplo ácido clorhídrico, se produce un aumento instantáneo de la concentración de iones hidrógenos, los cuales son neutralizados por la base conjugada del ácido liberando así, una cantidad equivalente de ácido débil. Si añadimos al sistema una base fuerte, por ejemplo hidróxido de sodio, los iones hidroxilos consumen rápidamente iones hidrógenos del sistema para formar agua, lo que provoca la transformación de una parte del ácido acético libre en acetato que es una base menos fuerte que el hidróxido de sodio. La utilidad de las mezclas amortiguadoras en la regulación del equilibrio ácido-base del plasma sanguíneo, estriba precisamente en la posibilidad de mantener la concentración de iones hidrógeno dentro de límites estrechos, que con razón puede considerarse invariable. El pH se puede mantener muy aproximadamente al nivel que convenga, escogiendo las mezclas adecuadas. Por un ejemplo, con un determinado amortiguador el pH de una cierta reacción puede ser tres, y con otro amortiguador la misma reacción se puede estudiar a pH ocho.

1. SOLUCIONES BUFFER O AMORTIGUADORAS Cómo funciona un "Buffer"?. En lo que podemos denominar "química del acuario" buffer es una o varias sustancias químicas que afectan la concentración de los iones de hidrógeno (ohidrogeniones) en el agua. Siendo que pH no significa otra cosa que potencial de hidrogeniones (o peso de hidrógeno), un "buffer" (o "amortiguador") lo que hace es regular el pH. Cuando un "buffer" es adicionado al agua, el primer cambio que se

produce es que el pH del agua se vuelve constante. De esta manera, ácidos o bases (álcalis = bases) adicionales no podrán tener efecto alguno sobre el agua, ya que esta siempre se estabilizará de inmediato. ¿Qué clase de sustancias químicas son "Buffer"?.En general, los buffer consisten en sales hidrolíticamente activas que se disuelven en el agua. Los iones de estas sales se combinan con ácidos y álcalis. Estas sales hidrolíticamente activas son los productos que resultan de la reacción entre los ácidos débiles y los álcalis fuertes como el carbonato de calcio (a partir del ácido carbónico e hidróxido de calcio) o entre ácidos fuertes y álcalis débiles como el cloruro de amonio [a partir del ácido clorhídrico el hidróxido de amonio]). ¿Cómo reaccionan estas sales? Cuando un ácido débil o base débil se combina con su correspondiente sal hidrolítica en una solución de agua, se forma un sistema amortiguador denominado "buffer". No siempre un sistema buffer es apropiado para un acuario porque los iones de algunas sales hidrolíticas pueden dañar a los peces y/o plantas acuáticas. Por otra parte, cada sistema buffer tiene su propio rango efectivo de pH, algunos de los cuales no son adecuados para acuarios. Un sistema buffer natural se forma en la mayoría de los acuarios por la interacción del dióxido de carbono CO2 producido por el metabolismo normal de los peces, con el carbonato de calcio (CaCO3) presente en la mayoría de las aguas de acuarios. En estos casos la primera reacción química que se produce es la de generar un sistema buffer, tal como vemos seguidamente: CO2 + H2O 4 H2CO3 _____Dióxido de carbono_________agua ______ Ácido Carbónico_____ H2CO3 → 2H+ + CO3 └  Sin disociarse (insoluble) Disociado (soluble)  ┘ → ÁCIDO CARBÓNICO→ 2. El ácido carbónico es un ácido débil. Por lo tanto, el balance de la disociaciónes desplazado fuertemente en el lado izquierdo de la ecuación; sólo una de algunas moléculas están disueltas o disociadas. La reacción

entre el ácido carbónico (H2CO3) y el casi insoluble carbonato de calcio (CaCO3) da lugar a la formación de productos relativamente solubles como el bicarbonato de calcio [Ca(HCO3)2: H2CO3 + CaCO3 →Ca(HCO3) 2→Ca(HCO3)2→Ca++ + 2HCO3-]Junto a la forma no disociada de ácido carbónico con iones de hidrógeno (H+)los iones bicarbonato (HCO3-) pueden estar disponibles para evitar cualquier incremento en los iones de hidrógeno, bloqueando la acidificación. Esto, desde luego, sucede solamente mientras están libres los iones bicarbonato disponibles. De otro modo, puede ser logrado a partir del carbonato de calcio ((CaCO3) y bicarbonato de calcio (Ca

(HCO)3)2 en el agua. Este sistema buffer,

además, neutraliza los iones hidróxilo (H-) y así puede prevenir la alcalinización. Los iones hidróxilo están convertidos por la reacción dentro del agua en iones bicarbonato y en carbonato de calcio precipitados de esta forma: Ca (HCO3)2 + OH- → CaCO3 → + HCO3- +H2OEste precipitado aparece, además, como consecuencia de que las plantas del acuario consumen dióxido carbónico y sube el pH. Suficiente dureza carbonática hace que el buffer prevenga este aumento del pH, ya que cuanto más se eleve la dureza carbonática en el acuario, más constante será el valor del pH.

Esto no nos debe hacer pensar que la dureza

carbonática es indispensable en el acuario para prevenir grandes fluctuaciones en el pH (y las consecuencias de dichas oscilaciones sobre peces y plantas).Mientras el sistema buffer esté trabajando normalmente, envolverá los ácidos húmicos de la turba o los extractos de turba, como asimismo los fosfatos de los fertilizantes, lo cual puede transformarse en una dificultad, sobre todo si estos productos se deben adicionar después de un buffer. Por lo tanto en caso de ser necesarios en un acuario, deberán colocarse antes que se tampone el pH mediante un buffer. Sea como fuera, la mejor manera de controlar un acuario es la observación permanente, la acumulación de experiencia y la esmerada lectura de notas y textos científicos de acuarismo. Hay que tener presente que todos los buffer no

son iguales. Los hay para mantener el pH por encima de 7 o por debajo de 7. Si partimos de un agua con un pH determinado, podemos utilizar un buffer como el que damos a continuación para que dicho pH se mantenga estable. Si es necesario modificarlo, debe hacerse antes de agregar la solución buffer, utilizando algún preparado comercial o los que sugerimos en otras notas de El Acuarista. 3. Escala de pH. Ácido 0__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__14 alcalino 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 neutro Qué es el pH? Es difícil explicar de forma extremadamente simple qué es el pH del agua. Para quien se interese trataremos de hacerlo de la forma más sencilla posible. En cualquier forma que se presente el agua además de moléculas (de H20), siempre habrá iones libres de Hidrógeno. El peso de esos iones en su conjunto determina el valor pH. Esos iones libres pueden ser negativos de radical hidroxilo (HO-)(aniones) o positivos de Hidrógeno (H+) (cationes). De éstos dos grupos de iones libres los H+ son los que determinan la acidez. 

La importancia biológica de los sistemas amortiguadores

El concepto teorico así como y la preparacion practica de las disoluciones amortiguadoras (tambien llamadas disoluciones reguladoras, tampones o buffers) son temas fundamentales dentro de los programas de química y bioquímica que se imparten tanto en la division de Ciencias Básicas como en la Division de Ciencias Biologicas y de la Salud. Sin embargo, su importancia biologica, ecologica y fisiologica se discute poco. En este artículo pretendemos dar algunos ejemplos interesantes que podran utilizarse en la docencia de estos temas. Recordemos que una disolucion amortiguadora tiene la característica de aminorar los cambios bruscos de pH1debidos a la adicion de acidos o bases fuertes así como el que su pH no se modifica por efecto de

diluciones (Harris, 1992). El amortiguador esta formado por un acido debil y su base conjugada o una base debil y su acido conjugado; de manera tal que en la misma diluciones coexisten un componente que reacciona ante la adicion de acidos (la base) y otro con las bases (acido). Como ejemplos tenemos NaHCO3 ¡Na2CO3; H2CO3 ¡NaHCO3 , en el primer caso el bicarbonato actua como acido mientras que en el segundo este actua como base. Los reguladores de pH que tienen importancia fisiologica, en los mamiferos, son del tipo acido debil-base conjugada (Valtin, 1973). 1. Sistemas reguladores que existen en los mamiferos Las celulas del organismo funcionan de manera adecuada cuando se mantienen dentro de ciertos parametros como son la temperatura, la adecuada produccion de energia, los niveles de sales, agua y nutrientes, así  como el pH de los fuidos corporales. Sin embargo, como los fluidos corporales estan formados por agua y substancias disueltas, son susceptibles a tener variaciones en su pH dependiendo de los alimentos que se ingieran o de reacciones metabolicas normales del organismo. Si estos cambios en el pH son bruscos, pueden llegar a afectar al organismo (Garrido, 1991). La composicion quimica del plasma sanguíneo (la porcion fluida de la sangre) y del fluido intersticial (el fluido que se encuentra entre las células de los tejidos) son muy similares entre si, en contraste a la composicion del fluido intracelular. Los principales electrolitos del plasma sanguíneo y del fluido intersticial son los iones Na+ y Cl ¡, mientras que para el fluido intracelular son los iones K+ y HPO2¡4. Esto indica que las celulas tambien deben tener sistemas especificos que les confieran la capacidad para transportar y regular la concentracion de iones a las que se encuentran expuestas. Es por ello que en el plasma sanguineo, en los fluidos intersticiales y en las celulas, se encuentran substancias como el acido

carbonico, los aniones bicarbonato, fosfato mono y dibasico y algunas proteínas, que participan en la regulacion del pH. 2. Sistemas reguladores en el agua Entre los factores que contribuyen a los cambios de pH en el agua del subsuelo y en los lagos de una determinada region geografica, se encuentran los vientos, el clima, el tipo del suelo, las fuentes de agua, la naturaleza del terreno, las caracteristicas de la vida vegetal, la actividad humana así como las caracteristicas geologicas de la region. El principal amortiguador natural en el agua es el ion bicarbonato (pK1 = 6.35, pK2 = 10.32) (Skoog et al1995). Dado que la capacidad amortiguadora de una solucion es proporcional a la concentracion del amortiguador (Day y Underwood, 1989), la susceptibilidad del agua a acidificarse dependera en gran medida de su capacidad amortiguadora. En el agua, la fuente mas importante del ion bicarbonato es la piedra caliza o carbonato de calcio, CaCO3, la cual reacciona con los iones hidronio de acuerdo a la siguiente ecuacion: CaCO3(s) + H3O + (ac) á!¡ HCO ¡ 3(ac) + Ca2 + (ac) Los

lagos,

en

cuyo

fondo

abunda

la

piedra

caliza

presentan

concentraciones relativamente elevadas de bicarbonato disuelto, y por tanto son menos susceptibles a la acidificacion. El granito, la piedra arenosa, la grava y otros tipos de rocas que tienen poco o nada de CaCO3 se asocian con lagos que tienen una gran susceptibilidad a la acidificacion. La capacidad amortiguadora de los lagos junto con el pH de la precipitacion pluvial correlaciona con la vida acuatica. Sin la existencia de los sistemas amortiguadores naturales, sería difícil la supervivencia de la vida acuatica en el planeta. 

SOLUCIONES AMORTIGUADORAS (importancia)

Para que uno se conserve saludable, hay muchos fluidos en cada uno de nuestros cuerpos que se deben mantener dentro de unos límites muy estrechos de pH. Para que este objetivo se realice, se crea un sistema amortiguador. Un sistema amortiguador es una solución que puede absorber grandes cantidades moderadas de ácidos o bases, sin un cambio significativo en su pH, es decir, es una disolución que contiene unas sustancias que inhiben los cambios de HP, o concentración de ion hidrógeno de la disolución. Dichas sustancias pueden contener un ácido débil y su sal, por ejemplo, ácido acético y acetato de sodio, o una base débil y una sal de esa base, por ejemplo, hidróxido de amonio y cloruro de amonio. Los fluidos de los organismos vivos están fuertemente tamponados, y el agua del mar y ciertas sustancias del suelo son otros ejemplos de disoluciones tampones existentes en la naturaleza. Las disoluciones tampones se utilizan en química y sirven como referencia en la medida del pH. Consideremos la reacción del amoniaco en agua: NH3(g) + H2O à NH4+ (ac) + OH- (ac). Si observamos la reacción inversa en este equilibrio, veremos que los iones amonio reaccionan con una base. Pero si disolvemos iones amonio (del cloruro de amonio) en agua ocurre: NH4+(ac) + H2O(l) ! NH3(ac) + H3O-(ac). De esta reacción inversa, podemos ver que las moléculas de amoniaco reaccionan con los ácidos. Si tuviésemos una solución con suficientes cantidades de cada una de estas sustancias, los iones amonio y las moléculas de amoniaco, tendríamos la deseada solución amortiguadora. Las moléculas del amoniaco reaccionarían con cualquier ácido que se añadiese, y los iones amonio reaccionarían con cualquier base que se añadiese. Las soluciones amortiguadoras se preparan utilizando un ácido débil o una base débil con una de sus sales. En términos generales, las reacciones aparecerían de la siguiente forma: - Para un ácido débil: HA + OH- à H2O + A- A- + H3O+ à HA + H2O.

El ácido débil (HA), reacciona con la base que se añade. El ion negativo de la sal (A-), reaccionara con el ácido que se añade. Para una base débil: MOH + H3O+ à M+ + 2H2O M+ + OH- à MOH La base débil (MOH), reaccionara con el ácido que se añade. El ion positivo de la sal, (M+), reaccionará con la base que se añade. Los amortiguadores tienen máxima eficiencia para neutralizar los ácidos y las bases que se añaden, cuando las concentraciones del ácido débil (o de la base) y de la sal son iguales. Podremos preparar una solución amortiguadora de casi cualquier pH, si escogemos el ácido (o base) débil correcto. Existe un ion común entre el electrolito débil y su sal. El comportamiento de una solución amortiguadora puede ser explicado siempre tomando como base nuestro conocimiento acerca del efecto del ion común y el Principio de Le Chatelier, el cual dice que si un producto o subproducto es eliminado del sistema, el equilibrio se verá perturbado y la reacción producirá más producto con el objeto de compensar la pérdida. En las polimerizaciones, este truco es usado para hacer que las reacciones alcancen altas conversiones. La sangre esta amortiguada, principalmente, por el ion bicarbonato (HCO3), pero cuando ocurre la hiperventilación que se trata de un estado de sobrerrespiración, causado por el miedo, la excitación o la ansiedad, ya que al ocurrir este proceso una persona expele más dióxido de carbono de lo necesario, alterando el equilibrio del acido carbónico. Defina solución amortiguadora. ¿Cuáles son sus componentes? Es una solución de un ácido débil o una base débil y su sal. Los dos componentes deben estar presentes. La disolución tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se agregan pequeñas cantidades tanto de ácidos como de bases. La disolución amortiguadora está compuesta por un ácido o una base y una sal.

Cite dos ejemplos donde se ponga en evidencia la importancia de las soluciones amortiguadoras. Las disoluciones amortiguadoras son muy importantes en los sistemas químicos y biológicos. El pH en el cuerpo humano varía mucho de un fluido de a otro; por ejemplo, el pH de la sangre es alrededor de 7,4, en tanto que el del jugo gástrico humano es de alrededor de 1,5. En la mayor parte de los casos, estos valores de pH, que son críticas para el funcionamiento adecuado de las enzimas y del balance de la presión osmótica, se mantienen gracias a las disoluciones amortiguadoras, una solución que contiene moléculas de ácido acético y acetato (además, por supuesto, de otros iones).