16.4: Calculando los Cambios de pH en una Solución Amortiguadora

Un tampón puede evitar una caída repentina o un aumento en el pH de una solución después de la adición de un ácido o una base fuerte hasta su capacidad de amortiguación; sin embargo, la adición de un ácido o una base fuerte da lugar a un ligero cambio en el pH de la solución. El pequeño cambio de pH puede calcularse determinando el cambio resultante en la concentración de los componentes del tampón, es decir, un ácido débil y su base conjugada o viceversa. Las concentraciones obtenidas mediante estos cálculos estequiométricos pueden utilizarse para determinar el pH final de la solución mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch o una tabla ICE.

Por ejemplo, una solución tamponada contiene 0,65 mol de ácido fórmico y de formiato de sodio. Como aquí la concentración del ácido débil y su base conjugada es la misma, el pH de la solución es igual al pK_a del ácido débil, que es 3,74 en este caso. Si se añaden 0,50 M de HNO₃ a esta solución, los cambios resultantes en la concentración del ácido fórmico y del formiato de sodio pueden determinarse mediante cálculos estequiométricos, como se muestra en la siguiente tabla.

El pH final de la solución puede determinarse introduciendo las concentraciones modificadas de ácido fórmico y de formiato de sodio en la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Así, la adición de 0,05 mol de HNO₃ reduce el pH de la solución de 3,74 a 3,67.

Asimismo, si se añaden 0,10 mol de NaOH a la misma solución, los cambios resultantes en la concentración del ácido fórmico y del formiato de sodio pueden determinarse mediante cálculos estequiométricos, como se muestra en la tabla siguiente.

El pH final de la solución puede determinarse introduciendo las concentraciones cambiadas de ácido fórmico y de formiato de sodio en la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Así, la adición de 0,10 mol de NaOH aumenta el pH de la solución de 3,74 a 3,87.

Tras añadir de una pequeña cantidad de ácido fuerte o al añadir una pequeña cantidad de base fuerte se produce un ligero cambio de pH en una solución amortiguadora. Este cambio de pH se calcula en dos pasos distintos. Primero, se utiliza un cálculo estequiométrico para determinar el cambio en las concentraciones.

Luego, se usa un cálculo de equilibrio para determinar el nuevo pH de la solución, ya sea usando una tabla ICE o la ecuación de Henderson-Hasselbalch. El pH de un tampón que contiene dos molar de ácido fluorhídrico y fluoruro de sodio se puede calcular antes y después de agregar un ácido o base fuerte. Se puede utilizar la ecuación de Henderson-Hasselbalch para determinar el pH inicial de este tampón porque las concentraciones son altas en relación con el Ka del ácido débil y el cambio en las concentraciones es inferior al 5 por ciento.

El pKa para el ácido fluorhídrico se puede calcular en 3, 46. Cuando la concentración de ácido débil y base conjugada en una solución son iguales, el pH es igual al pKa. Por tanto, el pH inicial es 3, 46.

Si se añaden 0, 2 moles de ácido clorhídrico a un litro de este tampón, asumiendo que provoca un cambio de volumen insignificante, el ácido añadido es neutralizado por los iones fluoruro, produciendo ácido fluorhídrico. Esto conduce a una disminución estequiométrica de la concentración de iones fluoruro en 0, 2 moles y un aumento igual de la concentración de ácido fluorhídrico. Las nuevas concentraciones se pueden insertar en la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Cuando se resuelve, el nuevo pH es 3, 37, menor que el valor de pH inicial de 3, 46. A medida que se agrega ácido fuerte, se produce una disminución en el pH, pero la reducción es pequeña porque la solución está tamponada. Por el contrario, si se añaden 0, 1 moles de hidróxido de sodio a un litro de tampón, suponiendo que provoca un cambio insignificante de volumen, la base añadida se neutraliza al reaccionar con ácido fluorhídrico.

Esto provoca una disminución estequiométrica en la concentración de ácido fluorhídrico en 0, 1 moles y un aumento igual en el ion fluoruro. Usando la ecuación de Henderson-Hasselbalch, el pH de la solución es 3.50, que es ligeramente más alto que el valor de pH inicial de 3, 46 debido a la adición de hidróxido de sodio.