SEMANA 13 2021 SISTEMAS Y SOLUCIONES REGULADORES BUFFER

SEMANA 13 -2021 SISTEMAS Y SOLUCIONES REGULADORES BUFFER ó TAMPON Diapositivas con imágenes cortesía de Licda : Lilian Guzmán 1

2 DEFINICIÓN Los sistemas Buffer, amortiguadores, reguladores ó tampón son mezclas (soluciones, dispersiones coloidales), que tienden a mantener el p. H constante (con pocas variaciones) cuando se le añaden pequeñas cantidades de ácidos y bases.

COMPONENTES DE LOS BUFFERS A- Buffer ácidos: formados de un ácido débil y su sal Ejemplos: Acido Débil / Sal CH 3 COOH / CH 3 COO-Na+. (Buffer de acetatos) H 2 CO 3/ HCO 3 – ( Buffer carbonatos). H 2 PO 4 - / HPO 4 -2 ( Buffer de fosfatos). Note: el ácido débil posee un Hidrogeno más que la sal respectiva. En el caso de las sales a veces solo se indica al anión y no se coloca al ion metálico que lo acompaña. ( vea ejemplos de arriba en buffer de carbonatos y fosfatos) Recuerde que todo ácido débil, tiene una Ka. 3

4 CONT. COMPONETES DE LOS BUFFER B- Buffer Básicos: Formados por una base débil y su sal. Ejemplos: Base débil / Sal NH 3 / NH 4+Cl. C 6 H 5 NH 2 / C 6 H 5 NH 3+Cl. Note: Las bases débiles generalmente poseen Nitrógeno. Las sales de las bases débiles, poseen un Hidrógeno más que la base respectiva y pueden ir acompañadas de un anión ( Ej: Cl- ). Vea ejemplos anteriores. Recuerde que toda base débil, posee una Kb.

Los componentes de los buffer entran en un equilibrio : A- Buffer ácido Acido débil (donador de H+ )⇄ Sal ( base conjugada aceptor de H+) H 2 PO 4 - ⇄ HPO 4 -2 + H+ Acido débil (donador H+) Sal (base conjugada aceptor de H+ ) B- Buffer Básico : Base débil ( aceptor de protones H+) ⇄ sal (acido conjugado donador de H+ C 2 H 6 NH 2 + H 2 O Base débil (aceptor de protones ( H +) ⇄ C 2 H 6 NH 3+ + OH – Sal ( ácido conjugado donador de protones ( H+ ) 5

6 IMPORTANCIA DE LOS BUFFER EN LOS SISTEMAS VIVOS Todo organismo vivo, uni o pluricelular, posee dentro y fuera de sus células, sistemas buffer que mantienen el p. H dentro de rangos muy constantes. Todo proceso metabólico, requiere de un p. H óptimo para realizarse y en el cuál, los enzimas trabajan a la capacidad necesaria, catalizando cada una de las reacciones. Si el p. H se altera, se alteran las funciones biológicas incluso se puede llegar a la muerte, por esa razón la importancia de los buffer para mantener el p. H en rangos óptimos.

SISTEMAS BUFFER DE IMPORTANCIA EN LOS SERES VIVOS Buffer de carbonato ( H 2 CO 3 / HCO 3 - ), es el más importante en la sangre y fluidos extracelulares. Buffer de Fosfatos ( H 2 PO 4 - / HPO 4 -2 ) Es el más importante buffer intracelular. Proteínas : tanto en la sangre como dentro de la célula participan en la regulación del p. H. 7

8 PH FISIOLÓGICO Es el rango de p. H, ideal ó adecuado, para el funcionamiento óptimo de los organismos. En el ser humano, el p. H fisiológico( se toma como base el p. H de la sangre ), está dentro de: 7. 35 – 7. 45 Si el p. H baja y es menor de 7. 35, genera una condición conocida como Acidosis. Si el p. H aumenta y es mayor a 7. 45, genera una condición conocida como Alcalosis.

ACIDOSIS ( PH SANGUÍNEO MENOR DE 7. 35 ) A- Respiratoria: Ocurre al incrementarse la [CO 2], por retención de CO 2, debido a una inadecuada ventilación pulmonar o hipo ventilación Ej: neumonía, enfisema, asma, respiración lenta, bloqueo de vías respiratorias por cuerpo extraño. 9

10 B-Metabólica: Los pulmones y centros respiratorios funcionan normalmente, pero los ácidos metabólicos se producen muy rápido o se excretan con lentitud. Hay acumulación de ácidos ( Ej. Ácido láctico, cuerpos cetónicos ). También puede deberse a pérdida de bases, como el HCO 3 - ej: diarrea. O incapacidad del riñón de excretar H+.

11 En ambas acidosis, la compensación principal es la hiperventilación (aumentar la [ O 2] para disminuir [CO 2 ]) En unos casos se puede administrar HCO 3– (generalmente Intravenoso) para compensar la acidosis

ALCALOSIS ( PH SANGUÍNEO MAYOR DE 7. 45) A-Respiratoria: Ocurre al disminuir la [CO 2] y aumentar [O 2], por hiperventilación ( Histeria, mal manejo de un respirador, llanto prolongado, respiración excesiva a gran altitud, por ejemplo los alpinistas, ejercicio extenuante, tensión nerviosa). Se compensa por excreción de HCO 3 – por los riñones y respirar dentro de una bolsa o funda impermeable, ventilar con mezclas ricas en CO 2. 12

13 B-Metabólica: el cuerpo pierde ácido ó retiene base ( HCO 3 -), puede deberse a pérdida del contenido estomacal (vómitos , succión nasogástrica), sobredosis de bicarbonato, ó medicamentos para úlcera estomacal ( antiácidos e inhibidores de bomba de protones) enfermedad renal, abuso de diuréticos. Se compensa con hipoventilación.

14 https: //www. youtube. com/watch? v=HHNt. SV-v. SAQ

15 CÓMO ACTÚA UN BUFFER ÁCIDO? A) Al añadir un ácido ( H+), la sal ( anión), se combina con el H+ forma el ácido débil, [ácido ] y [sal ]. Ej. Buffer de H 2 CO 3 / HCO 3 – AÑADIMOS UN ÁCIDO H+ : HCO 3 - + H+ H 2 CO 3 [HCO 3 -] ( la sal) Y [ H 2 CO 3] (el ácido) AÑADIMOS UNA BASE OH- : El ácido débil, dona un H +, que se combina con el OH- y forma agua y la sal respectiva [ácido ] y [ sal ]. H 2 CO 3 + OH- HCO 3 - + H 2 O [H 2 CO 3] ( el ácido débil) y [HCO 3 -]( la sal)

BUFFER ACIDO CARBÓNICO/BICARBONATO: H 2 CO 3/HCO 3 OH- H+ H 2 CO 3/HCO 3 - H 2 CO 3 + OH- ⇋ HCO 3 – + H 2 O Note : ↓[ ácido] Y ↑ [ sal] [ H 2 CO 3] y [HCO 3 -] HCO 3 - + H+ → H 2 CO 3 Note: ↓ [sal] y ↑[ ácido] [HCO 3 -] y [H 2 CO 3 ] 16

17 BUFFER FOSFATOS H 2 PO 4 -/HPO 4 -2 OH- H+ H 2 PO 4 - / HPO 4 -2 H 2 PO 4 - + OH- ⇋ HPO 4 -2 + H 2 O Note: ↑[sal] y ↓[ácido] [ HPO 4 -2 ] y [H 2 PO 4 -] HPO 4 -2 + H+ → H 2 PO 4 Note: ↑[ácido] y ↓[sal] [H 2 PO 4 -] y [HPO 4 -2] 17

BUFFER PROTEÍNAS: -NH 3+ / COOEL –NH 3+, REPRESENTA EL EXTREMO AMINO TERMINAL DE LA PROTEÍNA Y EL –COO- EL EXTREMO CARBOXILO TERMINAL. OH- H+ -NH 3+ / -COO- -NH 3+ + OH- ⇋ -NH 2 + H 2 O Participa el extremo amino Terminal, donando un H+, para unirse al OH- y forman agua. -COO- + H+ → -COOH Participa el extremo carboxilo terminal aceptando el H+ 18

19 CÓMO ACTÚA UN BUFFER BÁSICO A) Al añadir un ácido [H +], la base lo acepta y forma la sal. Entonces [sal] y [base] Ejemplo NH 3 / NH 4+Cl -. NH 3 + H+ NH 4+ [NH 3]( la base) y [ NH 4 +] (la sal) B) Al añadir una base OH-, la sal dona un H+, que se combina con el OH- y forma H 2 O y la base respectiva. . NH 4 + + OH- NH 3 + H 2 O [NH 4+] (la sal) y [NH 3] (la base)

20 FÓRMULAS PARA CALCULAR EL PH DE LOS SISTEMAS BUFFER: Se usaran las ecuaciones de Henderson. Hasselbach. A- Para Buffer ácidos: p. H = p. Ka + log [Sal]/ [Acido]. * el p. Ka, se calcula : p. Ka = -log Ka. * debe calcular primero la relación numérica [sal ] / [ácido ] y con éste resultado sacar el logaritmo. Como este puede ser positivo ó negativo, se sumará ó restará al p. Ka, según el caso.

21 PARA BUFFER BÁSICOS 1) Calcular primero el p. OH, luego restarlo de 14. p. OH = p. Kb + log [Sal] [Base] Luego p. H = 14 - p. OH También puede hacerlo en una sola operación: p. H = 14 – ( p. Kb + log [ Sal ]) [Base] Recordar que : p. Kb = - log Kb. Calcular primero la relación numérica de la [sal] / [base] y con éste resultado sacar el log. Como estamos obteniendo p. OH , debe calcular el p. H: (recordar p. H + p. OH = 14 ) p. H = 14 - p. OH

22 EJERCICIOS. Calcule el p. H de un buffer de HCOOH 0. 2 M y HCOO-Na+, 0. 27 M. Si Ka = 2. 1 x 10 -4. Procedimiento : Use la ec. de Henderson-Hasselbach p. H = p. Ka + log [sal ] [acido] Calcule p. Ka = -log Ka p. Ka = -log 2. 1 x 10 -4 = 3. 67 p. H = 3. 67 + log [0. 27] sal [0. 20] acido débil p. H = 3. 67 + log 1. 35 p. H = 3. 67 +0. 13 = 3. 80 Respuesta : p. H =3. 80 22

EJERCICIO BUFFER BÁSICO. Calcule el p. H de una solución buffer formada por NH 3 0. 8 M y NH 4 Cl 0. 65 M. Kb= 1. 8 x 10 -5. Resolución, como es buffer básico (nos dan Kb), debe calcular primero el p. OH. Usando ecuación : p. OH = p. Kb + log [sal] / [base] calcule p. Kb= -log Kb p. Kb = -log 1. 8 x 10 -5 p. Kb = 4. 74 Use ecuación Henderson - Hasselbach p. OH = p. Kb +log [sal] [Base ] p. OH = 4. 74 + log o. 81 p. OH = 4. 74 + log 0. 65 0. 80 p. OH = 4. 74 +( -0. 09) p. OH = 4. 65 Ahora calcule p. H así : p. H = 14 - p. OH. Este paso es obligado para buffer básicos p. H = 14 - 4. 65 = 9. 35 p. H = 9. 35. 23

EJEMPLO DE BUFFER ÁCIDO AÑADIENDO ÁCIDOS Y BASES. Calcule el p. H de una solución buffer de CH 3 COOH 0. 4 M y CH 3 COO-Na+ 0. 5 M. Ka = 1. 8 x 10 -5. Cuando: A) Se añade HCl 0. 08 M. Al añadir HCl, se está añadiendo H+, y [Acido] y [sal]. Hay que sumar al ácido débil la concentración del ácido añadido (0. 08). A la sal se le resta la concentración del ácido añadido (o. o 8). Nuevas concentraciones: [CH 3 COOH]: 0. 4 + 0. 08 = 0. 48 [CH 3 COO-Na+] : 0. 5 -0. 08 = 0. 42 Ahora calcule p. H: p. H = p. Ka + log [sal] / [acido] p. H= 4. 74 + log 0. 42 /0. 48 p. H = 4. 74+log 0. 875 p. H = 4. 74 + (-0. 058) p. H = 4. 68 24

CONTINUACIÓN DE EJERCICIO: B- Se añade Na. OH 0. 06 M. Al añadir Na. OH, se está añadiendo OH-. Entonces [ácido] y [sal]. Se resta la concentración de base añadida ( 0. 06) a la concentración del ácido. Y a la sal se le suma esa concentración. Nuevas concentraciones : Acido [CH 3 COOH] = 0. 4 -0. 06 = 0. 34 Sal : Ahora se calcula p. H: p. H = Pka + log [sal] [acido] [CH 3 COO-Na+] = 0. 5 +0. 06 = 0. 56. p. H = 4. 74 + log 0. 56/0. 34 p. H = 4. 74 +log 1. 64 p. H = 4. 74 + 0. 21 = 4. 95 25

COMPARACIÓN DE EL PH, DESPUÉS DE AÑADIR H+ Y OH Si calculamos el p. H del buffer sino se le hubiera añadido H+ y OH-, tenemos: p. H = p. Ka + log [sal] [ácido] p. H = 4. 74 + log [CH 3 COO-Na+] [CH 3 COOH] p. H = 4. 74 + log 0. 5/0. 4 p. H= 4. 74 + log 1. 25 p. H = 4. 74 + 0. 097 = 4. 84 Ahora vea al añadir el HCl ( ácido) bajo a 4. 68 Y al añadir Na. OH ( base). subió a 4. 95. usted puede ver que las variaciones fueron mínimas. 26

EJ: CÁLCULO DE PH DE BUFFER BÁSICO Calcule el p. H de un buffer formado por trimetilamina 0. 3 M ( Kb= 6. 0 x 10 -5 ) y cloruro de trimetilamonio 0. 4 M. Resolución en éste caso la trimetilamina ( C 3 H 9 N )es la base y el cloruro de trimetil amonio ( C 3 H 9 NH +Cl -)la sal. Como es base, se calcula primero el p. OH usando la fórmula ya dada y luego se resta de 14. : p. OH = p. Kb +log [sal] / [Base] p. Kb= -log 6. 0 x 10 -5 = 4. 22 p. OH = 4. 22 + log 0. 4/0. 3 p. OH = 4. 22 +log 1. 33 po. H = 4. 22 + 0. 125 p. OH = 4. 34 Ahora calcule p. H: Recuerde que p. H + p. OH = 14 p. H = 14 – p. OH p. H = 14 - 4. 34 Respuesta p. H = 9. 66 27

CONT. EJERCICIOS DE BUFFER BÁSICOS. Calcule el p. H de una solución buffer que contiene NH 3 0. 4 M y NH 4 Cl 0. 3 M. Kb = 1. 74 x 10 -5 Resolución : recuerde que es base, se calcula el p. OH primero y luego el p. H. Calcule p. Kb = -log Kb p. OH = p. Kb + log Sal/ Base p. OH = 4. 76 + log 0. 3 / 0. 4 p. OH = 4. 76 + (-0. 125) p. OH = 4. 63 ahora calcule p. H = 14 –p. OH p. H = 14 – 4. 63 p. H = 9. 37. 28

29 Que sucede si al buffer anterior le añadimos ácido, por ejemplo: HCl 0. 07 M. La base acepta el protón del ácido ( H+) y disminuye su concentración y forma a la sal. Por eso restamos la concentración del ácido añadido (0. 07) a la base y la sumamos a la sal. Nuevas concentraciones: Base [ NH 3]= 0. 4 – 0. 07 = 0. 33 y Sal [ NH 4 Cl] = 0. 3 + 0. 07 = 0. 37 Ahora calculemos el p. H. Como es buffer básico, primero calculamos el p. OH: p. OH= p. Kb + log sal /base p. OH = 4. 76+log 0. 37 / 0. 33 p. OH = 4. 76 +0. 05 = 4. 81 Ahora se calcula el p. H : p. H = 14 - p. OH = 14 - 4. 81 p. H =9. 19

30 Si a ese buffer la añadimos una base. Por ejemplo Na. OH 0. 04 M. Aquí la sal dona un protón que se combina con el OH y forma agua y más base. Por eso restamos la concentración de Na. OH (o. o 4) a la sal, y la sumamos a la base. Nuevas concentraciones : Sal [NH 4 Cl] = 0. 3 -o. o 4 = o. 26 Base [NH 3] = 0. 4 +0. 04 = 0. 44 Ahora calcule el p. H, sabiendo que como es buffer básico primero calcula el p. OH: p. OH = p. Kb + log sal/base p. OH = 4. 76 + log 0. 26/0. 44 p. OH =4. 76 +( -0. 23) = 4. 53 ahora calcule el p. H = 14 - p. OH p. H = 14 -4. 53= 9. 47

31 Un paciente con enfisema pulmonar. Sus resultados de laboratorio son: H 2 CO 3 : 0. 030 M y HCO 3 - : 0. 208 M. Ka = 4. 3 x 10 -7 ¿Calcule el p. H sanguíneo del paciente? Presenta acidosis ó alcalosis. ?

32 ¿Cuál es el p. H de una solución buffer formada por KH 2 PO 4 0. 5 M y K 2 HPO 4 0. 25 M. La Ka es: 6. 2 x 10 -8 (Respuesta: p. H = 6. 91) Calcule el p. H de un Buffer que contiene NH 3 0. 60 M y NH 4 Cl 0. 50 M después de añadir HCl 0. 02 M. Kb = 1. 8 X 10 -5. (Respuesta: p. H = 9. 31)

33 LEA LA QUÍMICA Y SALUD « DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS EN LA SANGRE «. Y COMÉNTELA.

34 ESPACIO PARA RESOLVER DUDAS DE PRÁCTICA DE LABORATORIO