pH y soluciones buffer

1. ¿Qué es el pH?

El pH es una medida de la acidez o basicidad de una disolución, definida a partir de la concentración de iones hidrógeno:

$$pH = -\log[H^+] \qquad \Longleftrightarrow \qquad [H^+] = 10^{-pH}$$

• En agua pura a 25 °C: $K_w = [H^+][OH^-] = 1{,}0 \times 10^{-14}$.

Valores de referencia

2. Importancia biológica del pH

• Las enzimas solo funcionan en un rango de pH estrecho; fuera de él se desnaturalizan y pierden su forma y función.
• Las proteínas mantienen su estructura gracias a cargas eléctricas que dependen del pH.
• La sangre opera entre 7,35 y 7,45; desviaciones provocan acidosis (pH bajo) o alcalosis (pH alto).

3. ¿Qué es una solución buffer?

Una solución buffer (amortiguadora) es una mezcla de:

• un ácido débil $HA$ (libera $H^+$), y
• su base conjugada $A^-$ (captura $H^+$).

Analogía: como el amortiguador de un carro absorbe los baches, el buffer absorbe el exceso de $H^+$ o $OH^-$ y el pH apenas cambia.

Sistemas buffer biológicos

4. Mecanismo de acción

El equilibrio base es: $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$

• Se añade ácido (sobran $H^+$): $A^- + H^+ \rightarrow HA$

En ambos casos el $H^+$ libre cambia muy poco, por lo que el pH se mantiene casi constante.

5. Ecuación de Henderson-Hasselbalch

$$pH = pK_a + \log \frac{[A^-]}{[HA]} \qquad \text{con } pK_a = -\log K_a$$

Ideas clave

1. El pH depende de la razón $\dfrac{[A^-]}{[HA]}$, no de la cantidad total.
2. Si $[A^-] = [HA]$, entonces .

6. Ejemplo resuelto (sangre)

Datos: pareja $H_2CO_3/HCO_3^-$, ; mM; mM.

1. $H_2CO_3$ = ácido débil ($HA$); $HCO_3^-$ = base conjugada ().

Al añadir 0,1 mmol/L de ácido fuerte:

• $[HCO_3^-] = 23{,}9$ mM y $[H_2CO_3] = 1{,}3$ mM

Sin buffer, esa misma cantidad de $H^+$ daría $pH = 4$: el buffer reduce el cambio de pH de 3,4 unidades a solo 0,04 unidades.

7. Capacidad y límites de un buffer

• Capacidad buffer: cantidad de ácido o base que puede neutralizar sin gran cambio de pH; aumenta con la concentración total $[HA] + [A^-]$.
• Saturación: si se consume casi toda la $A^-$ (o casi todo el $HA$), el pH cambia bruscamente.

Resumen final

• pH $= -\log[H^+]$: mide la acidez; cada unidad = factor de 10; $pH + pOH = 14$.
• Buffer = ácido débil + base conjugada que absorben u y estabilizan el pH.