1.6. Cálculo de un sistema buffer. Ejercicios de cálculos específicos Copy

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Se entiende como solución o sistema buffer a una solución acuosa que consiste en la mezcla de un ácido débil y su base conjugada o una base débil con su ácido conjugado.

Las soluciones buffer se emplean para mantener el pH en un valor constante en una amplia variedad de aplicaciones cosméticas.

Para calcular la concentración de la solución quelante se emplea la ecuación de aproximación de Henderson-Hasselbach (HH).

Debemos primero recordar que la constante de disociación para un ácido débil se define como:

               Ka = [H+]·[A]
                           [HA]

Aplicando logaritmos, se puede describir el valor de pH en términos de pKa:
               pH=pKa +log([A]/[HA])
              
donde [A-] es la concentración de la base conjugada
              
[HA] es la concentración del ácido

Para poder entender mejor esta relación, se deben dejar claros algunos conceptos teóricos.

El pH es la medida de concentraciones de los iones hidrógeno (H+) en solución acuosa.

Se determina con el siguiente cálculo:
               pH = -log [H+]
              
[H+] indica la concentración molar de los iones hidrógeno.
              
Por lo tanto, cuanto más alta es la concentración de [H+], más bajo es el pH.

El valor de pKa es un valor conocido y único para cada ácido y su base conjugada (sal).
Cuanto más fuerte es un ácido, más rápidamente se disocia para donar H+, aumentando el valor de pKa.

Se establece entonces que:
               pKa = -logKa

Entonces, a mayor fuerza de un ácido, más bajo es el valor de pKa.
Los ácidos fuertes tienen valores de pKa inferiores a 1.0.
A medida que aumenta este valor, el ácido se vuelve más debil.
Los ácidos débiles tienen un rango de pKa entre 3.0 y 7.0.

Las soluciones amortiguadores que se aplican en cosmética natural consisten principalmente en los ácidos débiles cítrico y láctico y sus bases conjugadas (citrato y lactato).
El ácido acético junto con su base conjugada (acetato) también se emplea pero en menor medida.

Todas las soluciones amortiguadoras presentan un rango de quelación.
Este rango se calcula como:
               pKa ± 1.0

Dentro de este rango de pKa ± 1.0, la solución amortiguadora es funcional y resiste grandes cambios ya sea introduciendo diferentes ácidos o alcális

A partir de esos conceptos, se establece que:
1. Cuando pH = pKa, la concentración del ácido sin disociar, [HA], es igual a la concentración de su base conjugada, [A].
             
[HA] = [A], cuando pH = pKa

2. El rango de quelación de un ácido débil es pKa ± 1.0
            
Ejemplo:
             Ácido láctico pKa 3.86
             Su rango de quelación es de 2.86-4.86

3. Cuanto más se acerca el valor de pH de la solución amortiguadora al valor de pKa, mayor es la capacidad quelante (capacidad para resistir cambios en el valor de pH).
           
El valor ideal sería cuando pH = pKa.

Observaciones

Es importante tener en cuenta que la aproximación HH se aplica sobre ácidos de tipo monoprótico; es decir, aquellos ácidos que donan un solo protón por molécula durante el proceso de disociación y que presentan un solo valor de pKa.
Algunos ejemplos de ácidos monopróticos son los ácidos glicólico, láctico o acético entre otros.

Los ácidos polipróticos pueden donar dos o más protones por moléculas de ácido:

  • Los dipróticos pueden donar dos protones con sus respectivas reacciones de disociación y para cada reacción se da un valor de pKa.
    Como ácidos dipróticos tenemos los ácidos málico, tartárico o azelaico.
  • Un ácido triprótico puede someterse a 3 disociaciones por lo que tendrá 3 constantes pKa.
    Un ejemplo de este tipo de ácido es el ácido cítrico.

Cálculo ejemplo para una solución buffer de ácido láctico/lactato sódico

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