IONIZACIÓN DEL AGUA. ÁCIDOS Y BASES. TAMPONES.
Aunque gran parte de las propiedades del agua como disolvente se pueden explicar en función de su molécula sin carga (H2O), el pequeño grado de ionización del agua en iones hidrógeno e iones hidroxilo también debe ser tenido en cuenta. Además, los ácidos débiles y las bases débiles cuando se disuelven en agua alteran las cantidades relativas de estos iones en la disolución, bien aportando iones hidrógeno por disociación si son ácidos, o bien retirándolos por protonación si son bases. Por ello, dado que muchos procesos biológicos se ven afectados por las concentraciones de iones hidrógeno e hidroxilo, es conveniente que prestemos ahora atención a la ionización del agua y de los ácidos y bases débiles disueltos en ella.
La molécula de agua tiene una ligera tendencia a ionizarse reversiblemente dando lugar a un ion hidrógeno y un ion hidroxilo según la reacción
Aunque adoptaremos esta simplificación para analizar el proceso de autoionización del agua debemos tener en cuenta que este proceso no da en realidad lugar a iones hidrógeno "desnudos" sino a iones hidronio, como se puede apreciar en la figura 4.9
Para la ionización reversible del agua, como para cualquier otra reacción química, podemos escribir su constante de equilibrio:
La constante de equilibrio de la ionización reversible del agua nos permite describir este proceso en términos cuantitativos, es decir, conocer en qué grado se encuentra ionizada el agua a una temperatura determinada.
El valor de [H2O] en el agua pura es 55,5 M (1.000 g de agua en un litro dividido por su masa molecular, o sea, 1.000/18=55,5). Dado que las concentraciones de iones hidrógeno e hidroxilo en el agua pura son muy bajas, este valor es esencialmente constante (no disminuye significativamente cuando el agua se ioniza), por lo que podemos sustituirlo en la ecuación anterior y reordenarla como sigue:
El término Kw se conoce como producto iónico del agua, y es constante para una temperatura dada. El valor de Keq, que se ha determinado a partir de las medidas de conductividad eléctrica en el agua pura, es de 1,8 x 10-16 M a 251C. Sustituyendo este valor en la ecuación anterior tenemos:
Así, el valor del producto iónico del agua a 25ºC es 10-14. A partir de este valor se puede calcular la concentración de iones hidrógeno e iones hidroxilo en el agua pura a 25ºC. Puesto que por cada molécula de agua que se disocia se obtiene un ion hidrógeno y un ion hidroxilo podemos deducir que
Es decir, en un instante dado sólo una de cada diez millones de moléculas se encuentra ionizada en el agua pura a 25ºC.
| [H+] (M) | pH | [OH-] (M) |
| 100 | 0 | 10-14 |
| 10-1 | 1 | 10-13 |
| 10-2 | 2 | 10-12 |
| 10-3 | 3 | 10-11 |
| 10-4 | 4 | 10-10 |
| 10-5 | 5 | 10-9 |
| 10-6 | 6 | 10-8 |
| 10-7 | 7 | 10-7 |
| 10-8 | 8 | 10-6 |
| 10-9 | 9 | 10-5 |
| 10-10 | 10 | 10-4 |
| 10-11 | 11 | 10-3 |
| 10-12 | 12 | 10-2 |
| 10-13 | 13 | 10-1 |
| 10-14 | 14 | 100 |
Tabla 4.2
En una disolución acuosa, si [H+] es igual a [OH-], tal como ocurre en el agua pura, se dice que la disolución es neutra; si [H+] es mayor que [OH-] se dice que es ácida; y si [H+] es menor que [OH-] se dice que es básica. En cualquier caso, el producto de ambas concentraciones (Kw) es constante e igual a 10-14 a 25ºC, de tal modo que si una de las dos concentraciones es elevada la otra debe ser proporcionalmente reducida para que el producto iónico del agua permanezca constante (Tabla 4.2).
A partir del producto iónico del agua se introduce la escala de pH. La escala de pH constituye una forma ágil y cómoda de expresar las concentraciones de iones hidrógeno (y consiguientemente de iones hidroxilo) en disoluciones acuosas diluidas. Su uso evita tener que manipular cifras engorrosas del tipo de 0,000001 M o 10-8 M. Es válida para expresar concentraciones entre 10-14 M y 1 M de iones hidrógeno (ver Tabla 4.2). El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno:
Una disolución acuosa neutra tiene un pH=7 ya que en ella [H+]=10-7 y por lo tanto:
De la misma manera, el pH de una disolución ácida será menor que 7 y el de una disolución básica mayor que 7. Obsérvese que la escala de pH es logarítmica, no aritmética: decir que dos disoluciones difieren en una unidad de pH significa que una de ellas posee una concentración de iones hidrógeno diez veces superior a la de la otra.
El pH de una disolución puede medirse de manera aproximada utilizando indicadores (sustancias que cambian de color con las variaciones de pH), o de una manera más precisa mediante aparatos denominados pHmetros. La medida del pH es una de las operaciones más corrientes en la investigación bioquímica ya que sus variaciones tienen efectos importantes sobre muchas biomoléculas.
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