Química 11.º

Indicadores y soluciones amortiguadoras

50 min · DBA

Lo que vas a aprender
  • Explicar por qué un indicador cambia de color y por qué lo hace en un rango de pH y no en un punto.
  • Usar el pH calculado de una solución para predecir el color de un indicador, con rangos de viraje aproximados.
  • Elegir un indicador adecuado para una titulación según el pH del punto de equivalencia.
  • Explicar qué es una solución amortiguadora y calcular cómo cambian sus componentes al agregarle un ácido o una base.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Si cocinas repollo morado y le agregas al agua del cocido unas gotas de limón, el color se vuelve rojizo; si en cambio le agregas un poco de bicarbonato, se pone verdoso. El repollo tiene sustancias que cambian de color según el pH: es un indicador natural. En el laboratorio se usan indicadores parecidos para saber, sin aparatos, si una solución es ácida o básica, y para ver el punto final de una titulación.

La otra mitad de la lección trata de lo contrario: de soluciones que no se dejan cambiar el pH. Tu sangre, por ejemplo, se mantiene ligeramente básica aunque comas alimentos ácidos, gracias a una mezcla de sustancias que absorbe los excesos. A esas mezclas se les llama amortiguadoras.

Antes de empezar recuerda cómo se calcula el pH de un ácido o de una base fuertes y qué es un par ácido–base conjugado.

Explicación

Cómo funciona un indicador

Un indicador es casi siempre un ácido débil (o una base débil) cuya forma con el protón tiene un color y cuya forma sin el protón tiene otro. Si llamamos HIn a la forma ácida:

$$\mathrm{HIn} \rightleftharpoons \mathrm{H^{+}} + \mathrm{In^{-}}$$

Cuando hay muchos $\mathrm{H^{+}}$ (pH bajo), el equilibrio se corre hacia la izquierda y domina el color de HIn. Cuando hay pocos (pH alto), domina el color de $\mathrm{In^{-}}$. El paso de un color al otro no es un salto en un solo valor de pH: es gradual y ocurre en un rango de viraje, que en muchos indicadores abarca más o menos dos unidades de pH. En la mitad del rango se ve una mezcla de los dos colores.

Algunos indicadores comunes

Los rangos de esta lista son aproximados y se dan como ejemplo: pueden variar un poco según la tabla que consultes y la concentración del indicador.

  • Papel tornasol: rojo en medio ácido y azul en medio básico; vira más o menos entre pH 4,5 y pH 8,3.
  • Fenolftaleína: incolora en medio ácido y en medio neutro; se vuelve rosada más o menos entre pH 8,2 y pH 10, y sigue rosada por encima (solo en medio muy básico, más o menos por encima de pH 13, vuelve a perder el color).
  • Azul de bromotimol: amarillo por debajo de pH 6, aproximadamente, y azul por encima de pH 7,6, aproximadamente; verde en medio.
  • Naranja de metilo: rojo por debajo de pH 3,1, aproximadamente, y amarillo por encima de pH 4,4, aproximadamente.

Fíjate en una consecuencia: que la fenolftaleína se vea incolora no quiere decir que la solución sea ácida, porque también es incolora en una solución neutra o apenas básica. Un solo indicador solo dice de qué lado de su rango está el pH. Para saber el pH con más detalle se usa el papel indicador universal, que mezcla varios indicadores y tiene una tabla de colores, o un pH-metro, un aparato que lo mide con un electrodo.

Elegir el indicador de una titulación

En la lección anterior viste que la curva de una titulación da un salto brusco de pH cerca del punto de equivalencia. El indicador sirve si su rango de viraje cae dentro de ese salto: así el color cambia con una o dos gotas de base, justo al llegar a la equivalencia.

  • Ácido fuerte con base fuerte: el salto es grande y pasa por 7, y sirven indicadores como el azul de bromotimol o la fenolftaleína.
  • Ácido débil con base fuerte: el punto de equivalencia está por encima de 7, y la fenolftaleína, que vira en medio básico, es una buena elección. El naranja de metilo cambiaría de color mucho antes de tiempo.

Las soluciones amortiguadoras

Si agregas un poco de ácido fuerte a agua pura, el pH cae varias unidades de golpe, como verás en el primer ejemplo. Una solución amortiguadora es una mezcla que resiste ese cambio. Se prepara con un ácido débil y su base conjugada en cantidades parecidas, por ejemplo ácido acético (CH₃COOH) e ion acetato (CH₃COO⁻, que se agrega como acetato de sodio), o con una base débil y su ácido conjugado, como NH₃ y NH₄⁺.

El truco es que la mezcla tiene «un defensor para cada lado»:

  • si llega un ácido, la base conjugada atrapa los $\mathrm{H^{+}}$: $\mathrm{CH_3COO^{-}} + \mathrm{H^{+}} \rightarrow \mathrm{CH_3COOH}$;
  • si llega una base, el ácido débil le entrega protones a los $\mathrm{OH^{-}}$: $\mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{OH^{-}} \rightarrow \mathrm{CH_3COO^{-}} + \mathrm{H_2O}$.

En los dos casos, el $\mathrm{H^{+}}$ o el $\mathrm{OH^{-}}$ que llegó se convierte en una sustancia que ya estaba en la mezcla, y el pH cambia muy poco. Ojo: muy poco no es nada. Un amortiguador no deja el pH fijo, y tiene un límite: cuando se ha gastado buena parte de su base conjugada (o de su ácido), deja de proteger, y gastarla toda es el límite teórico. Esa cantidad que aguanta es su capacidad amortiguadora, y es mayor cuanto más concentrados están sus dos componentes.

Una mezcla de un ácido fuerte con su sal, como HCl y NaCl, no es amortiguadora: el ion cloruro es una base tan débil que no atrapa los $\mathrm{H^{+}}$ que llegan.

Los amortiguadores están en todas partes: en la sangre (el par ácido carbónico / bicarbonato), en los medios donde se cultivan bacterias y células, y en muchos productos que necesitan un pH estable para no dañarse.

Ejemplo resuelto

Un poco de ácido en agua pura

A 990 mL de agua pura (pH 7) se le agregan 10 mL de HCl de concentración 0,1 mol/L. ¿Cuál es el pH de la mezcla y cuántas unidades bajó?

Ver la solución paso a paso
  1. Paso 1. Moles de HCl agregados, con el volumen en litros:

    $$\frac{0{,}1 \cdot 10}{1000}$$

  2. Son $0{,}001$ mol de HCl, y como es un ácido fuerte, otros tantos de H⁺.

  3. Paso 2. El volumen final es 990 mL + 10 mL, es decir, 1 L. La [H⁺] es:

    $$0{,}001 \div \frac{990 + 10}{1000}$$

  4. La [H⁺] es $0{,}001$ mol/L (los H⁺ propios del agua son tan pocos que no cuentan).

  5. Paso 3. El pH:

    $$-\log_{10} 0{,}001$$

  6. El pH es $3$.

  7. Bajó de 7 a 3:

    $$7 - 3$$

  8. Son $4$ unidades: la [H⁺] quedó multiplicada por diez mil con solo 10 mL de ácido diluido (unas 200 gotas) en casi un litro de agua.

Respuesta: El pH de la mezcla es 3: bajó 4 unidades.

Ejemplo resuelto

El mismo ácido en un amortiguador

Un amortiguador de 1 L tiene 0,1 mol de CH₃COOH y 0,1 mol de CH₃COO⁻. Se le agregan 0,001 mol de HCl. ¿Cuántos moles de cada componente quedan, y qué parte de la base conjugada se gastó?

Ver la solución paso a paso
  1. Cada H⁺ que llega es atrapado por un ion acetato y lo convierte en ácido acético. Los moles de CH₃COO⁻ bajan:

    $$0{,}1 - 0{,}001$$

  2. Quedan $0{,}099$ mol de CH₃COO⁻.

  3. Y los de CH₃COOH suben en la misma cantidad:

    $$0{,}1 + 0{,}001$$

  4. Hay $0{,}101$ mol de CH₃COOH.

  5. La fracción de la base conjugada que se gastó es:

    $$\frac{0{,}001}{0{,}1}$$

  6. Es $\frac{1}{100}$, la centésima parte.

  7. Las cantidades de los dos componentes casi no cambiaron, y los H⁺ no quedaron libres en la solución: por eso el pH cambia muy poco, en lugar de caer cuatro unidades como en el agua. Gastar sus 0,1 mol de CH₃COO⁻ es el límite teórico: el pH empieza a cambiar mucho bastante antes de llegar a él.

Respuesta: Quedan 0,099 mol de CH₃COO⁻ y 0,101 mol de CH₃COOH; se gastó la centésima parte de la base conjugada.

Ejemplo resuelto

Predecir el color de un indicador

¿De qué color se ve la fenolftaleína en una solución de NaOH de concentración 0,001 mol/L? ¿Y el naranja de metilo en una solución de HCl de concentración 0,01 mol/L? Usa los rangos aproximados de la lista.

Ver la solución paso a paso
  1. Para el NaOH calculamos primero el pOH y luego el pH (a 25 °C):

    $$14 - \left(-\log_{10} 0{,}001\right)$$

  2. El pH es $11$.

  3. Ese pH queda por encima del rango de la fenolftaleína (más o menos de 8,2 a 10):

    $$11 > 10$$

  4. Para el HCl, ácido fuerte, el pH sale directo:

    $$-\log_{10} 0{,}01$$

  5. El pH es $2$.

  6. Ese pH queda por debajo del rango del naranja de metilo (más o menos de 3,1 a 4,4):

    $$2 < 3{,}1$$

Respuesta: Con pH 11, la fenolftaleína se ve rosada; con pH 2, el naranja de metilo se ve rojo.

Práctica

A 999 mL de agua pura se le agrega 1 mL de HCl de concentración 1 mol/L. ¿Cuál es el pH de la mezcla?

A 990 mL de agua pura se le agregan 10 mL de NaOH de concentración 0,1 mol/L. ¿Cuál es el pH de la mezcla, a 25 °C?

Si la [H⁺] del agua pasa de 1 × 10⁻⁷ a 1 × 10⁻³ mol/L al agregarle un ácido, ¿cuántas unidades baja el pH?

¿Verdadero o falso? Una solución de KOH de concentración 0,01 mol/L tiene, a 25 °C, un pH mayor que 10, así que la fenolftaleína se ve rosada en ella.

¿Verdadero o falso? Una solución de HCl de concentración 0,001 mol/L tiene un pH mayor que 8, así que la fenolftaleína se ve rosada en ella.

Muchos indicadores cambian de color a lo largo de unas 2 unidades de pH. ¿Por cuántas veces se multiplica la [H⁺] entre el extremo básico y el extremo ácido de ese rango?

Un amortiguador tiene 0,05 mol de CH₃COO⁻ y 0,05 mol de CH₃COOH. Se le agregan 0,02 mol de HCl. ¿Cuántos moles de CH₃COO⁻ quedan?

Un amortiguador tiene 0,04 mol de NH₄⁺ y 0,04 mol de NH₃. Se le agregan 0,01 mol de NaOH. ¿Cuántos moles de NH₃ hay después?

Un amortiguador tiene 0,2 mol de CH₃COO⁻. ¿Cuántos moles de HCl puede recibir, como máximo, antes de gastar toda su base conjugada?

¿Cuál de estas mezclas, en cantidades parecidas, forma una solución amortiguadora?

Vas a titular ácido acético con NaOH. ¿Qué indicador conviene usar?

Reto

¿Ácida o básica?

Lee lo que se observó y decide si la solución es ácida o básica. Usa los colores de los indicadores de la lección.

Reto

El agua contra el amortiguador.

Calcula los moles de ácido que se agregan, la [H⁺] en el agua y cuántas veces cambió.

Cierre

En resumen

  • Un indicador es un ácido o una base débil cuyas dos formas tienen colores distintos; el color que domina depende del pH.

  • El cambio de color ocurre en un rango de viraje aproximado, de unas dos unidades de pH, y no en un solo valor.

  • Para una titulación se elige el indicador cuyo rango cae dentro del salto de pH del punto de equivalencia.

  • Una solución amortiguadora tiene un ácido débil y su base conjugada (o una base débil y su ácido conjugado) que atrapan el ácido o la base que llegan.

  • Un amortiguador no deja el pH fijo y tiene una capacidad limitada por la cantidad de sus componentes.

Vocabulario

Indicador ácido–base

Sustancia, casi siempre un ácido o una base débil, cuya forma ácida y cuya forma básica tienen colores distintos.

Rango de viraje

Intervalo de pH en el que un indicador pasa de un color al otro; se da de forma aproximada.

Papel indicador universal

Papel impregnado con una mezcla de indicadores que toma un color distinto para cada valor aproximado de pH.

Solución amortiguadora

Solución que resiste los cambios de pH cuando se le agregan cantidades pequeñas de ácido o de base; también se llama tampón o buffer.

Capacidad amortiguadora

Cantidad de ácido o de base que un amortiguador puede recibir antes de que su pH empiece a cambiar mucho.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Preparar en casa, con ayuda de un adulto, un extracto de repollo morado y probarlo con tres sustancias de la cocina (por ejemplo limón, vinagre y bicarbonato disuelto); anotar los colores en una tabla y clasificar cada sustancia como ácida o básica, sin dar valores de pH.