Problemas de ácidos y bases

Traducción hecha en las Universidades de Valladolid y de Alcalá de Henares, España

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Problema 11: pH y capacidad tamponante de una mezcla

Tutoría para ayudar a responder el problema

Si se mezclan volúmenes iguales de NaH₂PO₄ 0,05 M y H₃PO₄ 0,05 M, ¿cuál de las siguientes opciones describe mejor la disolución resultante? (Los pK_a para el ácido fosfórico son 2,0, 6,8 y 12,0)

A.	pH 2 y pobre tamponamiento..
B.	pH 2 y buen tamponamiento.
C.	pH 6,8 y buen tamponamiento.
D.	pH 12 y buen tamponamiento.
E.	pH 6,8 y pobre tamponamiento.

Tutoría

Reconocimiento adecuado de las formas protonadas y desprotonadas de un ácido con varias ionizaciones.

El ácido fosfórico puede seguir tres ionizaciones, por lo tanto tiene tres valores de pK_a(dados como 2,0, 6,8 y 12,0 en el problema). El ácido fosfórico como grupo fosfato tiene gran importancia biológica debido a su papel en DNA/RNA, en moléculas energéticas como el ATP, en la fosforilación de proteínas, etc.; merece la pena, por ello, dedicar un tiempo a examinar esas reacciones de ionización.

Imagina la forma inicial totalmente protonada. Intuitivamente, esta protonación total debería ocurrir cuando la [H⁺] es muy alta, es decir, a bajo pH. Así, a pH 1, o menos, más del 90% del ácido fosfórico está como H₃PO₄.

Ahora imagina que se añade NaOH a una disolución de H₃PO₄ a pH 1. Los iones OH^- se combinan con los H⁺ para dar agua, lo que eleva el pH y deja Na⁺ en la disolución. Cuando el pH se va acercando a 2,0, ¿qué ocurre con el H₃PO₄? Puesto que 2,0 es el primer pK_a, se empezará a liberar el primer protón. Esto tiene dos consecuencias, una concierne a la forma química del H₃PO₄ y la otra al tamponamiento.

La forma química del H₃PO₄

En lo concerniente a la forma química del H₃PO₄, una vez que el primer H⁺ se ha liberado totalmente (lo que ocurre cuando el pH está por encima de 3), lo que tenemos es H₂PO₄^-. Pero como en esta reacción también se libera Na⁺ (al combinarse el OH^- y el H⁺ para producir agua), podemos poner que los iones en la disolución están como Na⁺H₂PO₄^-, o simplemente NaH₂PO₄ (dihidrógeno fosfato de sodio).

Así, esta primera ionización se escribe como sigue:

NaOH + H₃PO₄ H₂O + NaH₂PO₄ ; pK_a = 2,0

¿Cuál es la reacción de la segunda ionización?

¿Cuál es la reacción de la tercera ionización?

Tamponamiento

Como para la parte anterior, sólo necesitamos darnos cuenta de que durante la transición entre el pH 1,0 y el 3,0 la mayoría de los H⁺ que se utilizan para combinarse con el OH^- proceden del H₃PO₄. Los protones no vienen del agua pero la relación [H⁺] x [OH^-] = 10 ^- 14 aún se mantiene; por tanto, el pH no cambia mucho cuando se añade NaOH en la transición de pH 1 a 3. Este no es el caso entre, por ejemplo, los pH 3,0 y 5,8, cuando la adición de NaOH no toma H⁺ del fosfato, puesto que no hay valor de pK_a para la disociación del fosfato en este intervalo (el segundo pK_a corresponde a 6,8). Así, los protones deben proceder del agua y el pH cambia bruscamente en este intervalo.

El concepto de tamponamiento se puede mostrar gráficamente, como se ve debajo.

En el pK_a o cerca de él, tanto los ácidos como las bases débiles amortiguan las variaciones de pH, actuando así como tampones. Como se ha descrito antes, esto se debe a su afinidad por los protones, que son las especies iónicas que determinan el pH. De esta manera, una disolución amortiguará los cambios de pH cerca de su valor de pK_a (ver el área sombreada en la figura superior).

En este problema, la disolución de ácido fosfórico amortiguará los cambios de pH cuando se añade NaOH hasta que casi todo el H₃PO₄ haya pasado a la forma H₂PO₄^-. A valores de pH >> pK_a, la afinidad del ácido fosfórico por los protones no es suficiente para unir H⁺ hasta que no se alcance el siguiente valor de pK_a, y a valores de pH << pK_a, prácticamente todo el ácido fosfórico ha unido ya H⁺ y no está disponible para unir más H⁺ adicionales. Por tanto, el ácido fosfórico, como cualquier otro ácido o base débil, sólo es efectivo como tampón a valores de pH de una unidad por encima o por debajo de su pK_a .