Buffer Shh

Soluciones Buffer y la Ecuación de Henderson y Hasselbach

Mg. Carlos Marco Santa Cruz Carpio 1

Antecedente

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Las curvas de titulación revelan el pKa de ácidos débiles Qué es una titulación? En que consiste una curva de titulación? Revela el pKa El proceso involucra dos equilibrios: H2O

H+ + OH-

HAc H+ + AcCuyas constantes de equilibrio son: Kw = [H+][OH-] = 1x10-14 [H+][OH-] Ka = [HAc] = 1.74x105

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Como explicamos el comportamiento de esta curva? En la etapa inicial, el CH3COOH (ácido débil) apenas esta disociado, [H+] puede calcularse a partir de su Ka Conforme se adiciona NaOH, el OH- reacciona con el H+ para dar H20. Para compensar el H+ consumido, el CH3COOH debe disociarse más a fin de mantener la Ka. El resultado neto conforme progresa la titulación, es que el CH3COOH se inoniza más y más, formando CH3COOEste comportamiento involucra a todos los ácidos débiles4

En el punto medio de la titulación cuando se ha agregado 0.5 equivalentes de NaOH la mitad del CH3COOH ha sido disociado [CH3COOH] = [CH3COO-], pH = pKa = 4.76 La adición de más NaOH disocia el CH3COOH remanente convirtiendolo en CH3COO- . El punto final de la titulación se da a un pH cercano a 7, donde todo el CH3COOH ha perdido sus protones por el OHformando H2O y CH3COO-. A través de la titulación los dos equilibrios mencionados coexisten, manteniendo c/u su constante de equilibrio 5

Curvas de titulación de tres ácidos débiles con Ka diferentes. Aunque tienen la misma forma, el desplazamiento en el eje de pH es diferente por que tienen diferente capacidad de disociacion. Cuál es el más fuerte? Un punto importante en la curva de titulación de un ácido débil es que el par ácido base conjugada puede comportarse como un buffer 6

Las reacciones químicas en medios acuosos, requieren que el pH permanezca constante para evitar reacciones no deseadas. (pH dependientes). Un pequeño cambio en el pH produce un gran cambio en la velocidad de un proceso. No solo en reacciones donde el H+ participa directamente sino el pH determina muchas características estructurales y funcionales de macromoléculas, como proteínas enzimas y ácidos nucleicos, y por tanto, de la actividad de los organismos vivos. 7

Los organismos mantienen un pH citosólico constante y específico (cercano a 7), que mantiene sus biomoléculas en un estado iónico óptimo. En organismos multicelulares el pH de los fluídos extracelulares es regulado de una forma muy precisa. Así el pH sanguíneo es importante por que sus cambios producen a su vez cambios en el pH intracelular que pueden afectar el metabolismo. El suero presenta un pH casi constante de 7.4, ligeramente superior al que presenta el citosol intracelular. 8

Las soluciones denominadas tampones, reguladores, amortiguadores o buffers son capaces de mantener la acidez o basicidad dentro de un intervalo reducido de pH. Siempre están formados por mezcla de un ácido débil y su base conjugada, que se pueden interconvertir como consecuencia de la adición de H+ u OH- variando sus proporciones relativas y sin un cambio significativo del pH. Los grupos NH3, COOH, H2PO4-,de las macromoléculas funcionan como ácidos débiles, su estado iónico depende del pH del medio. La constancia del pH es efectuado por buffers biológicos que son una mezclas de estos ácidos débiles con sus bases conjugadas. 9

Como actúan los buffers, son sistemas acuosos que resisten cambios de pH cuando se le adiciona pequeñas cantidades de ácido (H+) o base (OH-). Ejm. una mezcla de iguales concentraciones de ácido acético y ión acetato. una unidad de pH por encima y debajo del pKa, mantiene el pH casi invariable ante la adición de H+ u OH-. 10

El par ácido Acético/Acetato como un Sistema buffer

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La relación fundamental entre las dos especies que constituyen un sistema regulador es la ecuación de Henderson-Hasselbalch:

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HA Ka =

H+ = Tomando –log a ambos miembros

+

H +A

-

H+ AHA Ka HA A-

A pH = pKa + Log HA

PERMITE: Calcular el pKa, dado el pH y la relación molar de la base conjugada sobre el ácido. Calcular el pH, dado pKa y la relación molar de la base conjugada sobre el ácido. Calcular la relación molar de la base conjugada sobre el ácido dado el pK y el pKa.

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Efecto de la dilución En la ecuación de Henderson y Hasselbach las [H3O+] y [HO-] son despreciables frente a Ca y Cb, esto implicaría que el pH de una solución buffer es independiente de estas concentraciones mientras se mantenga la relación entre el ácido y su base conjugada, lo cual no siempre se cumple. La capacidad reguladora de una solución buffer disminuye notablemente cuando ésta se diluye, pues las [H3O+] y [HO-] no son despreciables frente a Ca y Cb. 14

Buffer: acetato de sodio/ácido acético

pH final: después de adicionar 0.01 moles de Na OH a un litro de cada solución 15

Recomendaciones: Las soluciones buffer deben prepararse de manera que las concentraciones Iniciales de las especies conjugadas estén entre 0,05M y 1,0M y la relación entre sus concentraciones (Ca/Cb) esté entre 0,1 y 10. El intervalo de pH para el cual un sistema buffer regula adecuadamente es pKa -1< pH < pKa +1. El sistema buffer más adecuado es aquel cuyo valor de pKa está lo más cerca posible del pH que se desea regular. La dilución no cambia el pH de la solución buffer pero disminuye considerablemente su capacidad reguladora 16

El intervalo compatible con la vida es solo de una unidad, aprox. de 6,8 a 7,8. La sangre posee sistemas muy eficaces para evitar la variacion del pH, ante la generación de ácidos o bases como consecuencia del metabolismo.

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Sistemas reguladores en la sangre: • HCO3-/CO2 • HPO4=/H2PO4• Ciertos residuos de aminoácidos, como los grupos imidazol de las histidinas, en las proteínas sanguineas En la hemoglobina, existen 38 histidinas por tetrámero, siendo el principal sistema regulador del pH intraeritrocítico (aprox. 7,2).18

Si el HCO3- /H2CO3 tiene un pKa = 6,1 No sería un buen buffer en sangre cuyo pH es 7,4, sin embargo se constituye en el más eficiente por que transporta el CO2 y lo libera en los pulmones [HCO3-] pH = pK+log 0,03 pCO2 19

CO2 + H2O H2CO3

HCO3- + H+

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Los fosfatos no son amortiguadores significativos en la sangre, son más importantes como amortiguadores intracelulares por su mayor concentración en este compartimento. Se constituyen en eficientes buffers de la orina El ácido fosfórico tiene tres protones disociables, cuál cree Ud. que sean las especies que forman el sistema buffer fosfato?

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Es difícil asignar un solo valor de pK para las diferentes proteínas plasmáticas, cada una posee una diferente composición de aminoácidos. Como sistema amortiguador las proteínas se ubican en un lugar de importancia entre el bicarbonato y la hemoglobina 22

Formas disociables de la histidina

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Grupos disociables de las proteínas

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Los sistemas amortiguadores actúan simultáneamente en un principio isohidrico. Este es un ajuste automático entre los cocientes B/A de los diferentes amortiguadores de distinto pK Así en la sangre actúa una mezcla amortiguadora más eficiente que si actúa uno solo de ellos. 25

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En el plasma se cumple siempre que: pH=pK + log [CO3H-] / [CO2] =pK'+ log [HPO4= ] / [H2PO4- ] = pK" + log [ Prot - ] / [ProtH ] Dado que pK, pK' y pK" son diferentes, también lo serán las distintas proporciones, pero, conociendo los pK y una de ellas, las otras quedan determinadas. 27

pH DE UN PAR BUFFER ¿CUÁL ES EL pH DE UNA SOLUCIÓN PREPARADA MEZCLANDO VOLÚMENES IGUALES DE SOLUCIÓN DE NH3 6 M Y SOLUCIÓN DE NH4Cl 6 M ? NH+4

Ka = 5.70 x 10-10

pK = 9.24

NH3 A 9.24 + Log 3 = 9.24 pH = pKa + Log = 9.24 + Log = 3 HA NH+4

¿CÓMO CAMBIA LA RESPUESTA ANTERIOR SI SE MEZCLAN 9 VOLÚMENES DE LA SOLUCIÓN DE NH3 Y 1 VOLUMEN DE LA SOLUCIÓN DE NH4Cl? pH = 9.24 + Log

NH3

9.24 + Log 9 = 10.19 = 1 NH+4

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Calcule el pKa del ácido láctico, si la concentración de ácido láctico es 0.01M y la de lactato es 0.087M y el pH 4.8. Calcular el pH de una mezcla de 0.1 M de ácido acético y 0.2 M de acetato de sodio. El pKa del ácido acético es 4.76 Calcular la relación de las concentraciones de acetato y ácido acético requeridas en un buffer de pH 5.3 32

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Gracias por su atención cmscc 34