Ácidos, Bases, pH y Soluciones Reguladoras

1 Mlvm/maov/julio de 2009 cidos, Bases, pH y Soluciones ReguladorasMar a De La Luz Vel zquez Monroy & Miguel ngel Ordorica VargasIntroducci nLas propiedades cido b sicas de los compuestos org nicos son importantes para su funci n en los seres vivos; desde su distribuci n hasta su destino metab lico son determinados por el car cter cido o b sico adem s, la acidez del medio en que se encuentran, tambi n tiene efecto sobre ellos. Por tal motivo, para comprender cabalmente la Bioqu mica, es necesario un conocimiento s lido de los fundamentos del comportamiento de los cidos y las t rmino cido proviene del lat n acidus que significa agrio , y se refiere al sabor caracter stico de estos compuestos; adem s del sabor, los cidos en general son substancias que provocan viredel tornasol azul a rojo, reaccionan con los metales liberando Hidr geno, al tacto tiene sensa-ci n acuosa, y pierden estas propiedades cuando reaccionan con bases tambi n se denominan lcalis, nombre que proviene del griego alqili y que significa ceniza , porque estas eran la fuente de donde se obten an los lcalis.

2 Sus propiedades caracter s-ticas incluyen un sabor amargo, viran el color del tornasol de rojo a azul, al tacto son resbalo-sas o jabonosas, y reaccionan con los metales formando hidr xidos, frecuentemente propiedades de cidos y bases se conocen desde la antig edad, pero no fue sino hasta 1834 cuando Michael Faraday descubri que las Soluciones de cidos y bases son electrolitos, que fue posible intentar explicarlas. Existen diferentes teor as para explicar del comportamiento de cidos y bases, que han evolucionado desde las espec ficas hasta abarcar el comportamiento en forma primera sistematizaci n de los conceptos de cido y base fue elaborada por el sueco Svante Arrhenius, quien en 1897 defini un cido como una sustancia que en soluci n libera iones hidr geno o protones (H+)i y una base como una sustancia que en soluci n li-bera iones hidroxilo (OH ).

3 Estas definiciones describen el com-portamiento de los cidos y bases minerales, pero no explican las propiedades b sicas de algunos compuestos org nicos. Adem s, tienen el inconveniente de que no asignan ninguna participaci n al medio, un cido deber a ser cido en todo momento, lo cual no es cierto, y lo mismo suceder a con una base . Otro problema es que seg n estos conceptos, las sales de cualquier tipo deber an formar Soluciones neutras, lo que no siempre de remediar estas deficiencias, en 1923 Johannes Nicolaus Br nsted, en Dinamarca y Thomas Martin Lowry, en Inglaterra, cada uno en forma independiente y casi simult neamente, propusieron explicaciones del comportamiento cido y base , de amplia aplicaci n en Bioqu mica, porque est n directamente relacionados con el comportamiento de las sustancias en agua.

4 Seg n Br nsted y Lowry, un cido es una sustancia capaz de ceder H+. Mientras que una base es una sustancia capaz de aceptar H+. Este comportamiento sim trico, implica que para que una sustan-cia pueda actuar como cido, cediendo H+, debe existir en el medio en que se encuentra otra que Figura 1. Svante Arrhenius cidos, Bases, pH y Soluciones Reguladorasmlvm/maov/2sea capaz de comportarse como base , acept ndolos; o sea una sustancia s lo puede actuar como cido, en presencia de otra sustancia que pueda actuar como base , y viceversa. Al aplicar esta de-finici n, resulta que el responsable del comportamiento b sico de los hidr xidos minerales es el grupo OH , porque es el grupo que tiene la capacidad de aceptar protones. Por ltimo, permite explicar el comportamiento b sico de sustancias, que no poseen grupos OH , como las aminas, que son b sicas porque el Nitr geno tienen un par de electrones no compartido que puede usar para aceptar un H+.

5 Figura 2. Izquierda, Johannes Nicolaus Br nsted. Derecha, Thomas Martin LowrySeg n estos conceptos, el agua tiene propiedades de cido y base , porque puede ceder o aceptar protones, como se muestra en las reacciones siguientes:a) Frente a un cido, como el Cloruro de Hidr geno (HCl) el agua act a como base :HCl + H2O H3O+ + Cl b) Frente a una base , como el Amoniaco (NH3) act a como cido:NH3 + H2O NH4+ + HO c) Consigo misma act a de ambas formas:H2O + H2O H3O+ + HO Las ecuaciones anteriores representan la forma m s correcta de describir el comportamiento de cidos y bases en agua, sin embargo, para ahorrar tiempo, y en el entendido de que as deb a ser, es costumbre permitida, no incluir el agua en las ecuaciones y representarlas como:a') HCl H+ + Cl b') NH3 + H+ NH4+c') H2O H+ + HO La Teor a de Br nsted y Lowry, funciona bien para solventes que como el agua, pueden intercam-biar protones, pero no sirve cuando se trabaja en solventes org nicos que no lo hacen, esta omi-si n se corrige en la definici n de Lewis.

6 Cidos, Bases, pH y Soluciones Reguladorasmlvm/maov/3 Tambi n en 1923, m s o menos en la misma poca que Br nsted y Lowry publicaron sus trabajos, el norteamericano Gilbert Newton Lewis comenz a desarrollar las definiciones m s amplias de cido y base . Seg n Lewis un cido es un to-mo o mol cula capaz de aceptar un par de electrones. Mien-tras que una base es un tomo o mol cula con un par de elec-trones no ocupados en enlace, que puede donar. Seg n estas definiciones, el comportamiento de los cidos cl sicos se debe al H+ formado en la disociaci n, que puede aceptar un par de electrones. Si tomamos como base la definici n de Lewis, el agua tiene capacidad de actuar como base , donando uno de los pares de electrones no compartidos del Ox geno, pero no tiene car cter cido, porque no puede aceptar pares de nuestro estudio de las propiedades de cidos y bases, usamos como referencia los conceptos de Br nsted y Lowry por la importancia que tiene en Bioqu mica, debida a su relaci n con el com-portamiento cido- base del agua.

7 Cidos y Bases Fuertes y D bilesAl igual que otros electrolitos, los cidos y bases tambi n pueden ser fuertes o d biles. Un cido fuerte (AH) es aquel que cede H+con facilidad y en soluci n acuosa est totalmente A + H+Un cido d bil (aH) cede sus H+con dificultad y se disocia poco en soluci n a + H+Una base fuerte (B) es aquella que acepta los H+con facilidad, y en presencia de una cantidad suficiente de H+ est completamente + H+ BH+Una base d bil (b) acepta con dificultad los H+ y s lo est protonada + H+ bH+De lo anterior se deduce que cuando una sustancia act a como cido de Br nsted - Lowry, libe-rando un H+, queda capacitada para volver a aceptarlo, comport ndose como base . Lo contrario sucede con una base de Br nsted - Lowry que al aceptar un H+ puede liberarlo despu s, actuando como cido.

8 Entonces, los cidos al disociarse producen bases; y las bases al aceptar H+ forman cidos: cido base + H+El par de substancias que se relacionan entre s mediante la reacci n anterior constituyen un par cido - base conjugado de Br nsted - Lowry. Como un cido fuerte permanece completamente Figura 3. Gilbert Newton Lewis cidos, Bases, pH y Soluciones Reguladorasmlvm/maov/4disociado en soluci n, su base conjugada no acepta H+ con facilidad o sea, es d bil, como sucede con el cido clorh drico, cuya base , el i n cloruro, es d Cl +H+ cido fuertebase d bilPor el contrario, si el cido es d bil, como el cido ac tico, permanecer poco disociado en solu-ci n porque su base conjugada, el acetato, acepta H+ con facilidad, ya que es CH3 COO +H+ cido d bilbase fuerteEn todo para cido - base conjugado, uno de los miembros es fuerte y el otro d de Disociaci nEl grado de disociaci n de un cido o una base es modificado por la acidez de la soluci n en que se encuentra.

9 Una sustancia puede actuar como cido cuando la acidez del medio es baja y com-portarse como base cuando esta aumenta; por ejemplo, el bicarbonato (HCO3 ) es una base en el rango de acidez fisiol gico, porque tiene la capacidad de aceptar protones:HCO3 + H+ H2CO3pero cuando la acidez disminuye, se comporta como cido y dona protones:HCO3 H+ + CO3=pHLa acidez o alcalinidad de una soluci n est n determinadas por la con-centraci n de H+. En la mayor parte de las sustancias naturales comu-nes, estas concentraciones son muy bajas y expresarlas en forma deci-mal o exponencial resulta engorroso, y con frecuencia es fuente de errores. En 1909, el dan s S ren S rensen propuso una alternativa para expresar la concentraci n de H+. S rensen sugiri que en lugar de usarn meros en forma decimal o exponencial, se empleara una trasforma-ci n logar tmica de la concentraci n molar de protones a la que llam pH y defini como: HlogH1logpH=+Como resultado de esta transformaci n, los n meros fraccionarios se convierten en n meros con enteros positivos, y como es inversa, mientras mayor es la concentraci n de H+, el valor del pH es menor.

10 Hoy en d a el pH es la forma m s com n de expresar la acidez y la concentraci n de H+ se puede medir directamente y se puede expresar en moles/litro, pero en la mayor a de los laboratorios se deduce la cantidad de H+ por comparaci n de la muestra estudiada con Soluciones Reguladoras de concentraci n conocida y el resultado se expresa en unidades de 4. S ren Peter Lauritz S rensen cidos, Bases, pH y Soluciones Reguladorasmlvm/maov/5La Escala de pHLa escala de pH se obtuvo a partir del estudio del comportamiento cido- base del agua. El agua se comporta como un no-electrolito, a pesar de que tiene la capacidad para actuar como cido o ba-se; cuando est pura, sus mol culas se disocian muy H+ + OH A 25 C, la constante de equilibrio de la reacci n de disociaci n (KD) del agua es: Considerando que el agua pura no tiene reacci n cida ni b sica, la neutralidad debe estar deter-minada por las cantidades de iones H+ y OH presentes en ella.