Estudio de la capacidad amortiguadora de disoluciones reguladoras

Vamos a preparar una disolución reguladora, vamos a determinar su pH y analizaremos su capacidad amortiguadora, y mediremos la variación de pH que obtendrá la disolución al adicionarle un ácido fuerte y una base fuerte.

Una disolución reguladora (también llamada amortiguadora, tampón o "buffer") es una disolución capaz de mantener el pH casi constante cuando se le añaden cantidades moderadas de un ácido o de una base.

Una disolución reguladora debe contener una concentración de ácido suficiente para reaccionar con la base (OH^-) que se añada y, también, una concentración de base apropiada para reaccionar con el ácido (H₃O⁺) añadido.

Una disolución reguladora se prepara mezclando dos solutos: o bien, un ácido débil (HA) y su base conjugada (A^-); o bien, una base débil (B) y su ácido conjugado (HB⁺).

La especie ácida de la disolución reguladora se denomina “reserva ácida” mientras que la parte básica de la disolución reguladora se denomina “reserva básica o alcalina”. La capacidad amortiguadora depende de la cantidad (concentración) de reserva ácida y básica que tenga la disolución reguladora.

Reactivos utilizados en la práctica:

Ácido acético,

Ácido metilencarboxílico o ácido etanoico, se puede encontrar en forma de ion acetato. Éste es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios.

Acetato de sódio, 

El acetato de sodio, (también llamado, etanoato de sodio) es la sal de sodio del ácido acético.Una solución hiper-saturada de acetato de sodio en agua (disolviendo el acetato de sodio en agua caliente y posteriormente enfriando la solución), cristaliza de forma rápida y es lo que comúnmente se conoce como Hot Ice.

Hidróxido de sódio, NaOH, 

El hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido sódico, también conocido como soda cáustica o sosa cáustica.

Ácido clorhídrico, HCl, 

El ácido clorhídrico, ácido muriático, espíritu de sal, ácido marino, ácido de salo todavía ocasionalmente llamado, ácido hidroclórico (por su extracción a partir de sal marina en América), agua fuerte o salfumán (en España), es una disolución acuosa del gas cloruro de hidrógeno (HCl). Es muy corrosivo y ácido.Se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa.

Fenolftaleína

La fenolftaleína  es un indicador de pH que en soluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de bases toma un color rosado con un punto de viraje entre pH=8,0 (Incoloro) a pH=9,8 (Magenta o rosado). Es un compuesto químico orgánico que se obtiene por reacción del fenol y el anhídrido ftálico en presencia de ácido sulfúrico.

Anaranjado de metilo

Anaranjado de metilo es un colorante azoderivado, con cambio de color de rojo a naranja-amarillo entre pH 3,1 y 4,4. El nombre del compuesto químico del indicador es sal sódica de ácido sulfónico de 4-Dimetilaminoazobenceno. 

La disolución reguladora tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se adicionan pequeñas cantidades de un ácido o de una base fuertes. Una disolución amortiguadora debe contener una concentración relativamente grande de ácido para reaccionar con los iones hidroxilo que se le añadan; y también debe contener una concentración semejante de base para neutralizar los iones hidronio que se le añadan. La cantidad de ácido o base que se puede agregar a una disolución amortiguadora antes de cambiar de forma significativa su pH se denomina capacidad amortiguadora.

En una disolución reguladora que contiene ácido acético y acetato de sodio, ambas especies se disocian para dar iones acetato (ión común). El acetato de sodio es un electrolito fuerte, y se disocia por completo en disolución, mientras que el ácido acético es un ácido débil, y se disocia sólo en parte.

De acuerdo con el principio de Le Châtelier la adición de iones acetato, provenientes del acetato de sodio, disminuye la disociación del CH₃COOH (efecto de ión común).

La concentración del anión acetato en el equilibrio, es prácticamente igual a la concentración inicial de la sal.

Por la misma razón, la concentración de CH₃COOH en el equilibrio es prácticamente igual a la adicionada inicialmente.

Se observa que el pH depende de la relación de concentraciones de la sal y del ácido y, por consiguiente, no ha de variar con la dilución, porque la citada relación permanecerá invariable entre ciertos límites.

Si a esta disolución reguladora se le añade una pequeña cantidad de ácido, aunque éste sea fuerte, la base conjugada de la disolución reguladora (iones CH₃COOˉ)              consumirá los iones H₃O⁺ procedentes del ácido de acuerdo con el equilibrio.

Si, por el contrario, se adiciona una base, la reserva ácida de la disolución reguladora (ácido acético) neutralizará los iones HOˉ procedentes de la base según el siguiente equilibrio.

La capacidad amortiguadora depende de la cantidad de ácido y de base conjugada que tenga la disolución.

Algunas disoluciones reguladoras comunes son:

Ácido acético/ión acetato (sal de sodio o potasio), CH₃COOH(ac)/CH₃COO⁻(ac)

Ácido fluorhídrico/ión fluoruro (sal de sodio o potasio), HF(ac)/F⁻(ac)

Cloruro de amonio/amoniaco, NH₄⁺(ac)/NH₃(ac)

           Ácido láctico/ión lactato (sal de sodio o potasio), C₃H₅O₃H(ac)/C₃H₅O₃⁻(ac)     

Propiedades ácido-base de las sales: hidrólisis

Mediremos el pH de disoluciones acuosas  de diversas sales, y el pH puede tener carácter ácido, básico o neutro.

Veremos que las disoluciones salinas pueden tener un pH ácido, básico o mayormente neutro. Esto se debe a que las sales iónicas son electrolitos fuertes que en agua se disocian por completo en iones. El anión y/o el catión pueden sufrir reacciones ácido-base con el agua que es lo que llamamos reacción de hidrólisis y esta hace que el pH cambie en la disolución.

Según el color que tome la disolución comparamos que tipo de carácter tiene ácido o básico.

Reactivos utilizados en la práctica:

Nitrato de sódio, NaNO₃(s)

El nitrato de sodio, nitrato sódico o salitre. Actualmente se obtiene por síntesis química, a partir del ácido nítrico, y éste a partir del amoniaco.

Carbonato de potasio, K₂CO₃(s)

El Bicarbonato de potasio o carbonato potásico es una sal blanca soluble en agua (insoluble en alcohol). Forma una sal básica. Se suele formar como producto de la reacción química entre el hidróxido de potasio o y el dióxido de carbono. Además es una sustancia higroscópica, que aparece a menudo como un sólido a base de agua.

Acetato de sodio, NaCH₃COO(s)

El acetato de sodio, (también llamado, etanoato de sodio) es la sal de sodio del ácido acético. Es un producto químico económico producido en cantidades industriales para una amplia gama de uso. Una solución hiper-saturada de acetato de sodio en agua (disolviendo el acetato de sodio en agua caliente y posteriormente enfriando la solución), cristaliza de forma rápida y es lo que comúnmente se conoce como Hot Ice.

Cloruro de amonio, NH₄Cl(s)

El cloruro de amônio, cloruro amonico o clorhidrato amonico ES uma sal de amônio. En su formula natural es um mineral conocido como sal amoniacal, sal de amoníaco o sal amoníaco. La La síntesis del cloruro de amonio se produce a partir de vapores de ácido clorhídrico y de amoníaco.

 Sulfato de aluminio, Al₂(SO₄)₃(s)
El sulfato de aluminio es una sal, es solido. Es ampliamente usada en la industria, comúnmente como coagulante en la purificación de agua potable y en la industria del papel.

}Las sales cuyos iones provienen de un ácido fuerte y de una base fuerte no se hidrolizan (sus iones no reaccionan con el agua, sólo se solvatan) y sus disoluciones son neutras. Ejemplos de este tipo son: NaCl,  KBr, SrI2, Ca(NO3)2, Ba(ClO4)2 entre otros.

}La disolución de una sal derivada de un ácido fuerte y una base débil es ácida, debido al carácter ácido del catión. Ejemplos de este tipo son: NH4Cl y NH4NO3.  Para esta última los procesos a considerar son:

◦DISOCIACIÓN DE LA SAL:NH4NO3(s)+H2O(l) NH4+(ac)+NO3ˉ(ac)

◦EQUILIBRIO DE HIDRÓLISIS: NH4+(ac)+H2O(l)   NH3(ac)+H3O+(ac)

}La disolución de una sal derivada de un ácido débil y de una base fuerte es básica, debido al carácter básico del anión. Algunos ejemplos son: KCH3COO, KNO2, NaF, NaClO y CaCO3 entre otros.

}Si las sales provienen de un ácido débil y de una base débil al disolverse, en agua, producen iones (catión y anión) que se hidrolizan y, el pH de la disolución dependerá de las fuerzas relativas del ácido débil y de la base débil.

Reacciones reversibles. aspectos prácticos del equilibrio químico

En esta experiencia estudiamos algunos aspectos prácticos del equilibrio químico.

La mayoría de las reacciones químicas son reacciones reversibles. Tan pronto se forman algunas moléculas de producto, comienza el proceso inverso: estas moléculas reaccionan y forman moléculas de reactivo. El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes. 

La reacción elegida es la formación del ión complejo hexakis(tiocianato)ferrato (III),  [Fe(SCN)₆]³ˉ de color rojo sangre. Este ión complejo se forma mezclando una disolución transparente de tiocianato de potasio, KSCN, con otra de  cloruro de hierro (III), FeCl₃, de color amarillo claro.

 Los iones tiocianato, SCNˉ, reaccionan con los iones hierro (III), Fe⁺³, dando lugar al ión [Fe(SCN)₆]³ˉ de color rojo. El equilibrio dinámico que se establece entre los tres iones está dado por:

   Tiocianato de potasio, (KSCN)_ac   Cloruro de hierro (III), (FeCl₃)_ac

       Hidróxido de sódio (NaOH)_ac

         Ácido clorhídrico (HCl)_ac

                                                      

La intensidad del color rojo nos indica, de manera cualitativa, la cantidad del ión [Fe(SCN)₆]³ˉ en la mezcla en equilibrio.

La mayoría de las reacciones químicas son reversibles, al menos en cierto grado. Al inicio de un proceso reversible, la reacción procede hacia la formación de productos. Tan pronto como se forman algunas moléculas de producto, comienza el proceso inverso: estas moléculas reaccionan y forman moléculas de reactivo. El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes. El equilibrio químico es, por tanto, un proceso dinámico.

                                                  

Para una reacción reversible de la forma,

Para determinar el sentido de la reacción basta comparar el valor de ambas magnitudes Qc y Kc .

- Si Qc < Kc, para alcanzar el equilibrio, los reactivos deben transformarse en productos y la reacción neta procede hacia la derecha.

- Si Qc > Kc, para alcanzar el equilibrio, los productos deben transformarse en reactivos y la reacción neta procede hacia la izquierda.

- Si Qc = Kc, las concentraciones iniciales son concentraciones de equilibrio; el sistema está en equilibrio.

Las variables que se pueden controlar en forma experimental son:

-          La concentración de reactivos y productos

-          La presión y el volumen

-          La temperatura