Laboratorio virtual de disoluciones amortiguadoras

Este laboratorio virtual de disoluciones amortiguadoras (tampones) sigue los laboratorios de AP Chemistry sobre cómo preparar y probar un tampón. Los estudiantes añaden gotas de ácido fuerte y de base fuerte a dos vasos colocados lado a lado: agua destilada y un tampón. Después cambian una cosa cada vez. La proporción entre la forma básica y la forma ácida cambia el pH inicial del tampón, y la concentración total cambia cuánto ácido puede absorber el tampón antes de agotarse. Cada gota actualiza los dos pH-metros, una gráfica de pH frente a gotas y unas barras para los dos componentes del tampón. Los estudiantes terminan con las dos reglas de diseño de un tampón eficaz y los datos que las respaldan.

Relación con el currículo

• AP Chemistry Unit 8, temas 8.8 Properties of Buffers (SAP-10.B), 8.9 Henderson–Hasselbalch Equation (SAP-10.C) y 8.10 Buffer Capacity (SAP-10.D), y los laboratorios de AP Chemistry sobre la preparación de un tampón eficaz y sobre la acción amortiguadora.
• También encaja con los temas de tampones de IB Chemistry y A-level Chemistry.

Simulic no está afiliado al College Board ni a AQA, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Da a los estudiantes un dato y pídeles una predicción:

"10 gotas de HCl 2 M llevan 50 mL de agua destilada de pH 7,00 a pH 1,70. Las mismas 10 gotas van a 50 mL de un tampón de etanoato (acetato) a pH 4,76. ¿Cuánto bajará el pH del tampón?"

Ofrece cuatro opciones: menos de 0,5 unidades, unas 2 unidades, unas 5 unidades o nada en absoluto.

Método en la simulación

Cada gota es 0,05 mL de disolución 2 M (0,1 mmol). Los botones +10 gotas añaden las gotas una tras otra; espera a que hayan caído todas antes de leer.

Parte 1: agua frente a tampón

1. Elige el tampón CH₃COOH / CH₃COO⁻. Pon Concentración total en 0,10 M y la proporción en 1,0.
2. Pulsa +10 gotas HCl. Anota el pH y el ΔpH de los dos vasos.
3. Pulsa Reiniciar y luego +10 gotas NaOH. Anota de nuevo.

Parte 2: ¿qué fija el pH?

4. Mantén 0,10 M. Pon la proporción en 0,1, luego en 1,0 y luego en 10. Anota cada vez el pH inicial; después añade 10 gotas de HCl y anota el ΔpH.

Parte 3: ¿qué fija la capacidad?

5. Pon la proporción en 1,0. Para concentraciones totales de 0,05; 0,10 y 0,20 M, añade HCl en tres tandas de 10 gotas y anota el pH del tampón tras cada tanda. Fíjate en cuándo dice la simulación que se ha agotado la capacidad amortiguadora.

Conc. total (M)	pH tras 10 gotas	pH tras 20 gotas	pH tras 30 gotas
0,05
0,10
0,20

Resultados esperados

Todos los valores salen de la simulación (tampón acetato, 50 mL por vaso).

Parte 1. Diez gotas de HCl llevan el agua de 7,00 a 1,70 (ΔpH −5,30) y el tampón de 4,76 a 4,39 (ΔpH −0,37). Diez gotas de NaOH llevan el agua a 12,30 y el tampón a 5,13. El cambio del tampón es unas 14 veces menor.

Parte 2.

Proporción [CH₃COO⁻]/[CH₃COOH]	0,1	1,0	10
pH inicial	3,77	4,76	5,76
ΔpH tras 10 gotas de HCl	−1,81	−0,37	−0,61

El pH inicial sigue pH = pKa + log(proporción). Con una proporción de 0,1 solo hay 0,45 mmol de forma básica, así que 1,0 mmol de ácido la agota y el pH cae a 1,96. El tampón resiste mejor con una proporción cercana a 1.

Parte 3.

Conc. total (M)	10 gotas	20 gotas	30 gotas
0,05	3,82	1,83	1,47
0,10	4,39	3,81	2,01
0,20	4,58	4,39	4,16

Los tres tampones empiezan a pH 4,76. La línea de capacidad de la simulación dice que los tampones 0,05; 0,10 y 0,20 M pueden absorber unas 12, 25 y 50 gotas de ácido. Duplicar la concentración duplica la capacidad y reduce el ΔpH aproximadamente a la mitad para la misma adición.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cuánto baja el pH del tampón tras 10 gotas de HCl?
2. En la parte 3, ¿qué variables deben mantenerse iguales?
3. En el tampón 0,10 M con proporción 1,0, ¿cuál es el pH tras 10 gotas de HCl?
4. En el tampón 0,20 M, ¿de cuánto es el cambio de pH tras 10 gotas de HCl?
5. ¿Qué conclusión concuerda con tus datos?

Respuestas para el docente: (1) Menos de 0,5 unidades (baja 0,37). (2) El par del tampón, la proporción y el número de gotas. (3) 4,39 (se acepta 4,37–4,41). (4) 0,18 (se acepta 0,16–0,20, con o sin signo menos), la mitad del cambio de 0,37 con 0,10 M. (5) La proporción fija el pH; la concentración total fija la capacidad.

Ideas erróneas frecuentes

• "Un tampón mantiene el pH constante." Solo frena el cambio. Cada gota mueve un poco el pH y, pasada la capacidad, cae deprisa.
• "Un tampón más concentrado tiene un pH más bajo." Con una proporción fija, las tres concentraciones empiezan en 4,76. La concentración cambia la capacidad, no el pH.
• "Cualquier proporción sirve si el par es el adecuado." Con una proporción de 0,1, el tampón se agota con menos de 5 gotas de ácido.

Ampliación

• Diseña un tampón: pide un tampón a pH 7,4 que absorba al menos 30 gotas de HCl. Los estudiantes eligen el par fosfato (pKa 7,21), ponen una proporción cercana a 1,5 y suben la concentración total hasta que la línea de capacidad permita 30 gotas.
• La sangre: elige el tampón de la sangre (HCO₃⁻/H₂CO₃ = 20). Los estudiantes comparan cuántas gotas de ácido y de base absorbe, y explican por qué el cuerpo también necesita los pulmones y los riñones.

Preguntas frecuentes

¿Los valores de pH usan la ecuación de Henderson–Hasselbalch?

La simulación muestra los dos. El pH que se muestra sale de un balance de cargas exacto, así que sigue siendo correcto después de agotarse el tampón, cuando la ecuación de Henderson–Hasselbalch ya no sirve.

¿Por qué el pH del agua es exactamente 7,00?

El modelo supone que el agua no absorbe CO₂ del aire. El agua destilada real suele estar cerca de pH 5,6, lo que da para una buena discusión.

¿Pueden los estudiantes probar productos del hogar?

No con esta simulación: tiene cuatro pares tampón y agua pura. Haz el estudio de productos del hogar como laboratorio real y usa esta simulación para explicar los resultados.

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