Los amortiguadores son soluciones que resisten el cambio de pH cuando se agregan pequeñas cantidades de ácido o base, y sustentan desde la química sanguínea hasta la preparación de reactivos de laboratorio. La ecuación de Henderson-Hasselbalch es la herramienta algebraica simple que los químicos usan para predecir, diseñar y solucionar problemas del pH de un amortiguador a partir de solo tres números: un pKa y dos concentraciones.

De dónde viene la ecuación

Un ácido débil HA se disocia parcialmente en agua: HA ⇌ H⁺ + A⁻. La constante de equilibrio de esta reacción, Ka, se define como Ka = [H⁺][A⁻]/[HA]. Tomar el logaritmo negativo en base 10 de ambos lados y reordenar convierte esa expresión de equilibrio en la ecuación de Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log₁₀([A⁻]/[HA]). La ecuación es exacta para el equilibrio que describe — no es una aproximación, aunque su utilidad es mayor cuando las concentraciones del amortiguador son mucho más grandes que la cantidad de H⁺ u OH⁻ realmente presente en la solución.

Por qué los amortiguadores funcionan mejor cerca de pH = pKa

Cuando [A⁻] y [HA] son iguales, el término logarítmico es cero y el pH equivale exactamente al pKa — este es el punto de capacidad máxima del amortiguador, porque hay abundante cantidad tanto de la forma ácida como de la básica disponibles para absorber un H⁺ u OH⁻ entrante. A medida que la relación se aleja de 1:1, el amortiguador sigue resistiendo el cambio de pH, pero con menos eficacia, porque una de las dos especies comienza a escasear. La regla práctica es que un amortiguador se considera efectivo dentro de aproximadamente una unidad de pH de su pKa (una relación base:ácido de 10:1 a 1:10) — fuera de ese rango, pequeñas adiciones de ácido o base causan cambios de pH desproporcionadamente grandes.

Elegir el amortiguador correcto para un pH objetivo

Como el amortiguamiento efectivo solo abarca aproximadamente pKa ± 1, el primer paso al diseñar un amortiguador es elegir un ácido débil cuyo pKa esté cerca del pH que necesitas. El acetato (pKa 4.76) se adapta a condiciones ligeramente ácidas; el fosfato (pKa 7.21) se adapta a un pH cercano al neutro como muchas aplicaciones biológicas; el bicarbonato (pKa 6.1) y el amoníaco (pKa 9.25) cubren otros rangos comunes. Una vez elegido el ácido, la ecuación de Henderson-Hasselbalch da la relación base:ácido exacta necesaria para alcanzar el pH objetivo.

Límites de la ecuación

La ecuación de Henderson-Hasselbalch asume un comportamiento ideal y funciona mejor en los rangos de concentración moderados típicos de los amortiguadores de laboratorio (aproximadamente 0.01–1 M). No toma en cuenta los efectos de la fuerza iónica, la dependencia de la temperatura del pKa, ni que el amortiguador se quede sin capacidad por completo fuera de su rango efectivo. Para soluciones muy diluidas, entornos iónicos muy fuertes, o ácidos poliprótidos con valores de pKa superpuestos, pueden necesitarse cálculos de equilibrio más detallados.