Química Para Ingeniería Ambiental: Clase 1b: Ph Y Amortiguadores En Ecosistemas

QUÍMICA PARA INGENIERÍA AMBIENTAL Clase 1B: pH y amortiguadores en ecosistemas

Principio japonés: La disciplina tarde o temprano vence a la inteligencia, y te lleva al éxito personal y profesional.

Es decir es importante tener talento, pero es más importante ser disciplinado para lograr el éxito. Los japoneses son sumamente metódicos y organizados; perseverantes y laboriosos.

Yokoi Kenji

Temas a desarrollar  Concepto y determinación de pH en muestras de aguas de ríos y lagos  Concepto y determinación de amortiguadores  Aplicación del pH y amortiguadores en la ingeniería

Logro Al término de la sesión, el estudiante explica sobre el pH y amortiguadores de importancia para la ingeniería.

Pregunta de reflexión ¿Qué es un amortiguador o buffer?

Potencial de hidrógeno (pH)

1 Origen del pH

Los valores de [H+] para la mayoría de las soluciones son demasiado pequeños y difíciles de comparar, de ahí que Sören Sörensen en 1909 ideó una forma más adecuada de compararlas.

El término hidrógeno'

proviene del francés pouvoir hydrogène, 'poder del

Potencial de hidrógeno (pH)

2 Concepto

El pH es el logaritmo de la concentración de Hidrogeniones [H+]. La letra p denota “logaritmo negativo de”. El pH es el grado de acidez o de basicidad de una sustancia, es decir la concentración de iones de H+ en una solución acuosa.

pH = - log10 [H+]

Escala del pH: La escala de pH permite conocer el grado de acidez o de basicidad de una sustancia. Se establece en una recta numérica que va desde el 0 hasta el 14. El número 7 corresponde a las soluciones NEUTRAS. El sector izquierdo de la recta numérica indica ACIDEZ, hacia la derecha del 7 las soluciones son BÁSICAS o alcalinas.

[H+] > [OH-]

[H+] = [OH-]

[H+] < [OH-]

[H+] > [OH-]

[H+] = [OH-]

[H+] < [OH-]

neutro

básico

ácido

Escala del pH: Ejemplos:

[H+] = 1x 10-2 M [OH-] = 1x 10-12 M pH = 2

[H+] = 1x 10-7 M [OH-] = 1x 10-7 M pH = 7

[H+] = 1x 10-12 M [OH-] = 1x 10-2 M pH = 12

También se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

pOH = - log10 [OH-]

pH + pOH = 14

2,9-3,3

3,0-3,5

6,6-6,9

¿Cómo se mide el pH? En los laboratorios se emplean numerosos dispositivos de alta tecnología (pHmetros) para medir el pH.

Papel tornasol

Ácidos y Bases Según la Teoría de Brösnted y Lowry: ÁCIDO: Es una sustancia capaz de ceder protones (H+) y genera una base conjugada.

BASE: Es una sustancia capaz de aceptar protones (H+) y genera un ácido conjugado.

Ácidos y Bases

ÁCIDO: HCl Ácido Clorhídrico

(Ácido)

+

H2O

Cl-

+

H3O+

Agua

Ión cloruro

Hidronio

(Base)

(Base Conjugada)

(Ácido Conjugado)

Ácidos y Bases:

N

H H

BASE:

NH3

+

H2O

NH4+

+

OH-

Amoniaco

Agua

Ión amonio

Hidroxilo

(Base)

(Ácido)

(Ácido Conjugado)

(Base Conjugada)

H

Ácidos y bases

Ácido

En estas reacciones el agua puede actuar como ÁCIDO o como BASE, dependiendo con qué sustancia reaccione. Por lo tanto, el agua es una molécula

ANFÓTERA.

Base

Ácido Fuerte y Débiles Ej.:

Ácido Fuerte: Es un ácido que al disolverse en agua se disocia o ioniza completamente.

HCl + H2O

100%

Ácido clorhídrico: HCl Ácido nítrico: HNO3 Ácido Sulfúrico: H2SO4 La fuerza de los ácidos NO depende de su concentración, sino de su naturaleza.

Cl- + H3O+

Ácido Débil: Es un ácido que cuando es disuelto en agua se disocia o ioniza parcialmente.

CH3COOH + H2O Ácido acético

CH3COO- + H3O+ Ión acetato

Ej.: Ácido acético: CH3COOH Ácido carbónico: H2CO3 Ácido fosfórico: H3PO4

Base Fuerte y Débiles: Ej.: Hidróxido de sodio: NaOH Hidróxido de potasio: KOH

Base Fuerte: Es una base que cuando se disuelve en agua se disocia completamente.

NaOH + H2O

100%

La fuerza de las bases NO depende de su concentración, sino de su naturaleza.

Na+ + OH-

Base Débil: Es una base que al disolverse en agua se disocia o ioniza parcialmente.

NH3 + H2O

NH4+

+

OH-

Ej.: Amoníaco: NH3 Metilamina: NH2CH3

Constantes de disociación de ácidos y bases

La constante de ionización o de disociación de un ácido (Ka) ó una base (Kb) se emplea como una medida cuantitativa de la fuerza del ácido ó la base en la solución acuosa.

Ka = 1,8 x 10-5

Kb = 1,8 x 10-5

Ejercicios de aplicación de pH 1. En una Industria de Embutidos, utiliza ácido perclórico para cuantificar restos de antibióticos utilizados en las carnes. Luego de hacer un control de calidad del embutido, se ha encontrado en una solución acuosa ácido perclórico a una concentración molar de 0.03. Se desea: a) Plantear la reacción del ácido en medio del agua. b) Determinar el pH de la solución Desarrollo:

Ejercicios de aplicación de pH 2. En una Industria Química, se sintetiza ácido sulfúrico, que se utiliza para procesos químicos como la deshidratación y aclaramiento del azúcar. En el laboratorio de control de calidad se disuelve 19.6 g de ácido sulfúrico en 10 litros de agua, y se desea conocer el pH de la mencionada solución. Desarrollo:

Soluciones buffer o amortiguadores

Los amortiguadores son sistemas acuosos que tienden a resistir los cambios en el pH cuando se les agregan pequeñas cantidades de ácido (H+) o base (OH-). Un sistema amortiguador consiste de un ácido débil (dador de protones) y su base conjugada (aceptor de protones).

Par buffer (Ácido)

Par buffer (Básico)

CH3COOH / CH3COOH2CO3 / HCO3-

(en laboratorio)

(buffer fisiológico)

NH3 / NH4+

Soluciones buffer o amortiguadores

Los buffer (amortiguadores o tampones) son sustancias que mantienen el pH constante y pueden preservar alimentos en buenas condiciones. Entre los amortiguadores de uso comercial se tiene: Amortiguador bicarbonato: H2CO3 ↔ NaHCO3 Amortiguador borato: H3BO3 ↔ NaH2BO3 Amortiguador amonio: NH3 ↔ NH+4ClAmortiguador fosfato: NaH2PO4 ↔ Na2HPO4 Amortiguador acetato: CH3-COOH ↔ CH3-COONa

Soluciones amortiguadoras o buffer

El agua NO es un Buffer. La concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) es muy baja en el agua pura. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

HCl H2O

Ácido H2O

H2O

H2O

H2O H2O H3O+ OH-

H2O H2O

pH= 7

Agua pura

H3O+

H2O

Cl- H3O+ H3O+ H2O

H3O+

H3O+

Cl-

pH= 2

H2O

Cl-

H3O+

Soluciones amortiguadoras o buffer

En el caso de un Buffer Ácido, como el par ÁCIDO ACÉTICO / ACETATO, al añadir un ácido (H+) ocurre lo siguiente: Reaccionará el componente básico del buffer (el ión acetato)

H+

HCl Ácido CH3COOH

H2O

CH3COOH CH3COOH2O

CH3COOH

CH3COO-

CH3COOH CH3COOCH3COOH CH3COO-

CH3COO- + H+

CH3COOH CH3COOH2O

CH3COOH CH3COO- + H+ CH3COOH CH3COOCH3COOH

Buffer HAc / Ac-

pH= 4,5

CH3COOH

pH= 4,2

H2O

Soluciones amortiguadoras o buffer

En el caso de un Buffer Ácido, como el par ÁCIDO ACÉTICO / ACETATO, al añadir una base (OH-) ocurre lo siguiente: Reaccionará el componente ácido del buffer (el ácido acético)

OH-

NaOH Base CH3COOH

H2O

CH3COOH

CH3COOH + OH- CH3COO-

CH3COO-

H2O

CH3COO-

CH3COOH CH3COO-

H2O

CH3COOH + OH- CH3COOCH3COO- +

CH3COOH CH3COO-

CH3COO- + H2O

H2O

CH3COOH CH3COOCH3COOH CH3COO-

Buffer HAc / Ac-

pH= 4,5

H2O

pH= 4,8

Soluciones amortiguadoras o buffer

El pH de una solución amortiguadora se puede conocer mediante la Ecuación de HENDERSON-HASSELBALCH.

En el caso del buffer fisiológico bicarbonato/ácido carbónico, se cumple lo siguiente:

pH sangre: 7,4 (rango: 7,35 – 7,45)

Ejercicios de aplicación de amortiguadores 1. En la Industria de los Alimentos se utiliza el buffer acetato para estabilizar el pH y evitar la mala calidad sensorial de los productos alimenticios. Por ello se ha preparado un buffer acetato a una concentración de 0.4 M, con una constante de acidez (Ka) para el ácido acético de 1.8 x 10-5. En base a esos datos, determine el pH del amortiguador. Desarrollo

2. En una Industria Vitivinícola, se ha producido un vino tinto que es muy sensible a la acidez por lo que se desea adiciona un buffer de acetato a un pH de 5. Un ingeniero prepara el amortiguador con ácido acético a una concentración de 0.12 M, con un pKa de 4.58, y acetato de sodio a 0.20 M. Se desea determinar el pH del amortiguador y en base a ello diga si se puede usar en la estabilización del vino. Desarrollo

3. Se adiciona 1 mL de HCl 1 M a 1 L de solución amortiguadora de amonio que tiene una concentración de amoniaco de 0.75 M y de cloruro de amonio de 0.75 M. Se desea determinar la variación del pH que se podría generar al añadir el ácido en la disolución reguladora. Se conoce que la Kb del amoniaco es de 1.8 x10-5. Desarrollo:

4. En una solución de ácido fluorhídrico 2 M (HF), tiene una Ka de 6,7x10-4; y ácido se disocia formando dos iones H+ y FSe desea que usted determine lo siguiente: a) La concentración de cada especie en el equilibrio (HF(ac) ↔H+(ac) + F-(ac)) b) El pH y pOH de la disolución c) Grado de disociación (α), para ello aplique la siguiente ecuación α = Cantidad que se disocia (moles) Cantidad inicial (moles) Desarrollo

Cierre y discusión 1. ¿A que se denomina solución amortiguadora? 2. ¿Qué amortiguadores se utilizan en la ingenieria?

Referencias bibliográficas

Baird C. (2009).Química ambiental. Ed. Reverté. Barcelona Bruice P. Y. (2010). Química orgánica. Ed. Prentice Hall Domènech Antúnez X. (2014). Fundamentos de química ambiental. Volumen I. Química de los sistemas atmosféricos, edáfico e hidrosférico. Editorial Síntesis S. A.