Basta con echar unas gotas de jugo de limón en agua para que enseguida adquiera un sabor ácido. Esto se debe a que incluso una pequeña cantidad de ácido cambia considerablemente la acidez del agua. En cambio, aunque nuestro cuerpo produce ácidos continuamente al comer y hacer ejercicio, el pH de la sangre se mantiene dentro de un intervalo muy estrecho, entre 7.35 y 7.45. Una solución que mantiene estable el pH incluso cuando se le añade un ácido o una base se llama «solución amortiguadora (Buffer Solution)».
Una solución amortiguadora contiene disueltos un ácido débil y su base conjugada, o bien una base débil y su ácido conjugado, de modo que el pH apenas cambia al añadir una pequeña cantidad de ácido o de base. Hacia 1909, cuando el químico danés Søren Sørensen propuso la escala de pH, también empezó a extenderse el uso del término «amortiguación». Hoy en día, este principio se aplica ampliamente, desde el mantenimiento de la vida hasta los medicamentos, los cosméticos y el trabajo de laboratorio.
En este artículo se explica de forma sencilla qué es una solución amortiguadora y cómo funciona, cómo se calcula su pH, cómo actúan los sistemas amortiguadores en nuestro organismo y cómo se utilizan estas soluciones en la vida cotidiana y en la industria.
Principios y aplicaciones de las soluciones amortiguadoras
¿Qué es una solución amortiguadora?
El agua pura tiene un pH de 7, pero basta con añadir un poco de ácido o de base para que cambie considerablemente. En una solución amortiguadora, en cambio, el pH apenas varía al añadir la misma cantidad. Esto se debe a que la solución ya contiene dos componentes capaces de reaccionar, respectivamente, con el ácido y con la base que se añadan.
(1) El par formado por un ácido débil y su base conjugada
Un ejemplo típico es la solución que se obtiene al mezclar ácido acético y acetato de sodio. El ácido acético es un ácido débil capaz de ceder iones de hidrógeno, y el ion acetato es su base conjugada, capaz de aceptarlos.
(2) Tipos de soluciones amortiguadoras
Las soluciones amortiguadoras se dividen en dos tipos según el par de componentes que se utilice.
- Solución amortiguadora ácida (Acidic Buffer). Se prepara con un ácido débil y su base conjugada y mantiene el pH en un intervalo inferior a 7, como ocurre con el par de ácido acético y acetato de sodio.
- Solución amortiguadora básica (Basic Buffer). Se prepara con una base débil y su ácido conjugado y mantiene el pH en un intervalo superior a 7, como ocurre con el par de amoníaco y cloruro de amonio.
¿Cómo mantiene el pH una solución amortiguadora?
Los dos componentes de una solución amortiguadora actúan como guardianes que vigilan cada lado. Sea cual sea el lado por el que entre un intruso, el guardián de ese lado interviene y lo atrapa.
(1) Cuando se añade un ácido
Al añadir un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico, aumenta la cantidad de iones de hidrógeno. El ion acetato, que es la base conjugada, se une a esos iones y se convierte en ácido acético, un ácido débil. Así, la cantidad de iones de hidrógeno libres apenas aumenta.
(2) Cuando se añade una base
Al añadir una base fuerte, como el hidróxido de sodio, aumenta la cantidad de iones hidróxido. En este caso, el ácido acético cede iones de hidrógeno, que se combinan con los iones hidróxido para formar agua, por lo que el pH apenas sube.
(3) Ecuación de Henderson-Hasselbalch
En 1908, el bioquímico estadounidense Lawrence Henderson formuló la relación entre los componentes de una solución amortiguadora y la concentración de iones de hidrógeno. En 1916, el danés Karl Hasselbalch la expresó en términos de pH. La ecuación es pH = pKa + log([base conjugada] ÷ [ácido débil]). Si las cantidades de los dos componentes son iguales, el pH coincide con el pKa del ácido, que en el caso del ácido acético es de aproximadamente 4.76. El efecto amortiguador es máximo cuando el pH se encuentra dentro de un intervalo que se extiende aproximadamente 1 unidad por encima y por debajo del pKa.
¿Cómo mantiene el pH nuestro organismo?
Nuestro organismo es en sí mismo un gran sistema amortiguador. El dióxido de carbono que producen las células al respirar se disuelve en agua y forma ácido carbónico. Si el organismo no pudiera procesar este ácido, la sangre se acidificaría rápidamente.
(1) Sistema amortiguador de ácido carbónico y bicarbonato
El principal sistema amortiguador de la sangre es el par formado por el ácido carbónico y el ion bicarbonato. En condiciones normales, la sangre contiene aproximadamente 20 veces la cantidad de dióxido de carbono disuelto en forma de iones bicarbonato, lo que mantiene el pH cerca de 7.4.
(2) La cooperación entre los pulmones y los riñones
Este sistema amortiguador es especialmente eficaz porque el organismo regula directamente ambos componentes. Los pulmones modifican la cantidad de dióxido de carbono que se expulsa al acelerar o ralentizar la respiración, y los riñones mantienen el equilibrio al reabsorber o excretar iones bicarbonato.
(3) Otros sistemas amortiguadores
Dentro de las células, el sistema amortiguador de fosfato, y en la sangre, proteínas como la hemoglobina, contribuyen a mantener el pH al captar iones de hidrógeno.
¿Dónde se utilizan las soluciones amortiguadoras?
Las soluciones amortiguadoras se utilizan en cualquier situación en la que una pequeña variación del pH pueda cambiar el resultado.
- Medicamentos (Pharmaceuticals). Se añaden componentes amortiguadores a los colirios y a los preparados inyectables para ajustar su pH al de las lágrimas y al de la sangre, respectivamente, y así reducir la irritación y prolongar su efecto terapéutico.
- Cosméticos (Cosmetics). El pH de los champús y los limpiadores faciales se ajusta con ingredientes como el ácido cítrico para mantener una acidez leve adecuada para la piel y el cuero cabelludo.
- Experimentos en ciencias de la vida (Life Science Research). Las enzimas y las proteínas son muy sensibles al pH, por lo que durante los experimentos se manipulan en soluciones como la solución salina tamponada con fosfato.
- Procesamiento de alimentos (Food Processing). Al elaborar bebidas o mermeladas, se utilizan componentes amortiguadores para mantener estables el sabor ácido, el color y la capacidad de conservación.
Las soluciones amortiguadoras también tienen un límite. Si la cantidad de ácido o base que se añade supera la cantidad del componente amortiguador, la solución deja de contrarrestar su efecto y el pH cambia bruscamente. Este límite se denomina capacidad amortiguadora y aumenta a medida que se eleva la concentración de los componentes.
Las soluciones amortiguadoras muestran que la capacidad de mantener el equilibrio incluso ante cambios intensos surge de contar de antemano con un par de componentes. Así como nuestro organismo mantiene en todo momento el equilibrio entre ácidos y bases, es importante contar con margen para absorber los cambios.
Prepararse de antemano para absorber las perturbaciones es el primer paso para preservar la estabilidad.
