En este artículo, explicamos cómo la alcalinidad amortigua y previene la reducción del pH. Nos enfocamos específicamente en la importancia de los valores pKa en la química del agua y cómo afectan a la capacidad de amortiguación frente a cambios efectivos del pH.
Comencemos con lo más básico, la capacidad de amortiguación del pH. Esto se refiere a la capacidad del agua para resistir los cambios de pH cuando se agrega una sustancia de índole alcalino o ácido.
En las piscinas, casi todos los productos químicos que utilizamos afectan al pH de alguna manera. Además, el pH también tiene una influencia en casi todos los otros aspectos y equilibrios o balances entre las sustancias en el agua. No hace falta decir que el pH es importante, pero fluctua con facilidad. Los sistemas de amortiguación ayudan de cierta manera a estabilizar el pH.
En las piscinas, la alcalinidad total (AT) mide todo el álcali disuelto en el agua que tiene la capacidad de neutralizar acidos. En otras palabras, la alcalinidad total mide la capacidad de amortiguación del pH de agua. Cuando se agregan ácidos, éstos introducen un exceso de iones de hidrógeno (H+), lo cual afecta los equilibrios. Es ahí cuando los iones alcalinos como el bicarbonato (HCO3-) y carbonato (CO32-) entran en accion, absorbiendo dichos hidrógenos creando una reacción de neutralización.
Como se puede ver en el siguiente gráfico, el bicarbonato (HCO3-) al neutralizar los iones de hidrógeno (H+) se convierte en ácido carbónico (H2CO3), esto afecta los equilibrios, reduce la alcalinidad total (la cantidad de bicarbonatos y carbonatos en el agua) y el pH.1
Tenemos varios artículos acerca del pH y su impacto en la química del agua, asi como tambien en nuestro centro de ayuda. En breve, el pH es la concentración de iones de hidrógeno en una solución y esto indica lo ácida o básica que es esa solución. Se basa en cómo el agua (H2O) puede disolverse en sus componentes principales, el ion de hidrógeno (H+), y el ion de hidróxido (OH-), mediante un proceso conocido como hidrólisis.
Gracias a la hidrólisis, el agua es un increíble solvente y puede disolver otras sustancias en compuestos iónicos, tal como ocurre con la sal:
NaCl → Na+(aq) + Cl-(aq)
Sal → Sodio(acuoso) + Cloruro(acuoso)
La sal se descompone en formas acuosas de iones de sodio y cloruro. Pero la sal (cloruro sódico, NaCl) no cambia el pH del agua en la que se disuelve. La mayoría de los productos químicos para piscinas sí modifican el pH del agua, aunque sólo sea de forma mínima y a veces imposible de notar.
La disociación es una característica importante del agua ya que de ahí se deriva su capacidad de amortiguar sustancias y prevenir los cambios de pH.
Los iones de la alcalinidad estabilizan el nivel de pH porque pueden tanto tomar como entregar un ion hidrógeno (H+) según sea el equilibrio de las concentraciones de las sustancias alcalinas.
El agua con alta alcalinidad (alta capacidad amortiguadora) puede neutralizar más ácido, lo que significa que tiene mayor resistencia a una reducción en el pH. Al mismo tiempo una alta alcalinidad previene el incremento del pH al agregar sustancias del mismo origen, sin embargo permite que el pH suba a un mayor nivel naturalmente gracias a la ley de Henry del CO2.
Por el contrario, el agua con baja capacidad de amortiguación (baja AT) es más susceptible a grandes cambios de pH, pero su techo o valor límite superior del pH sera menor.2
Los sistemas amortiguadores como la alcalinidad-carbonato y borato están compuestos por ácidos débiles y sus bases conjugadas (o forma aniónica3). El ácido carbónico (H2CO3) y su base conjugada ión bicarbonato (HCO3-) son el principal sistema de amortiguación en el agua de piscina.
Cuando dos sustancias están en equilibrio entre sí en función del pH, una se define como el ácido y la otra como su base conjugada. La única diferencia entre ellas es un ion Hidrógeno. De hecho, todos los ácidos tienen una base conjugada.4
La forma dominante de alcalinidad que tenemos en las piscinas se llama alcalinidad carbonatada. Dentro del sistema de alcalinidad de carbonatos, ácido carbónico es un ácido débil, y su base conjugada es el ión bicarbonato. El pH determina la concentración de cada uno de ellos.
Para cualquier ácido y su base conjugada, el pH en el que se cruzan o en otras palabras en donde existe 50% de cada uno (misma concentración de cada uno) se denomina como el valor pKa. Este es el pH en el que su fuerza amortiguadora es la más alta, ya sea para prevenir la reducción o aumento de pH. Observemos de nuevo el gráfico anterior. Específicamente la línea discontinua a 6.14 de pH? Esta línea representa el valor pKa entre el ácido carbónico y ión bicarbonato. Explicaremos más acerca del pKa en la siguiente sección de este artículo.
Otro factor que también tiene cierta capacidad de amortiguación es la la alcalinidad del cianurato.
El Ácido isocianúrico (H3Cy) y su base conjugada (H2Cy-) son componentes del sistema de amortiguación de cianurato. El valor pKa de la alcalinidad del cianurato es específico en este sistema pero puede variar en función a los componentes específicos implicados. En piscinas, el pKa para la alcalinidad de cianurato es de aproximadamente 6.88.5
En una piscina no estabilizada, el cloro se disuelve en su forma activa (ácido hipocloroso, HOCl) y su forma más débil (ion hipoclorito, OCl-) en función del pH, como se muestra en el gráfico de la izquierda. Con CYA en el agua la relación entre estos dos depende más fuertemente de la concentración de CYA presente en relación con el cloro libre, como se muestra en la gráfica de la derecha.
Cuando hablamos del equilibrio entre el acido hipocloroso y el ion hipoclorito, la única diferencia entre ellos es el ion Hidrógeno, por lo que HOCl es el ácido, y OCl- es su base conjugada. El pKa para el HOCl y el OCl- es 7.54.
HOCl ⇌ H+ + OCl-
Ácido hipocloroso ⇌ Ion de hidrógeno + Ion hipoclorito
Gracias a como interactúa el acido isocianurico en el agua, un incremento en el nivel de CYA proporcionará también un incremento en la alcalinidad total. Uno de los mayores errores en la industria es no darse cuenta de este fenómeno e ignorar cómo un alto CYA afecta al equilibrio o la saturación del ISL.
El valor pKa representa el pH al que la concentración de un ácido y su base conjugada son iguales. El valor pKa es el pH en el que esos dos compuestos tienen mayor capacidad amortiguadora. He aquí un extracto del renombrado químico John Wojtowicz, que en paz descanse:
"La máxima amortiguación se produce a un pH en el que la relación molar entre ácido y anión [base conjugada] es uno." 3
En el gráfico anterior, hemos agregado una esponja en el lado izquierdo al roce con el valor 6.14 pKa (línea discontinua) para el sistema de ácido carbónico y bicarbonato. Cuanto más se acerque el pH a esa línea discontinua, más resistencia encontrará.
Por el contrario, si su piscina tiene boratos, también tiene el sistema de amortiguación en el otro extremo. Esto lo representamos con la esponja en el lado derecho, al ras con el valor pKa de 9.2.
A medida que el pH de la piscina se acerca a cualquiera de los dos valores pKa, la resistencia amortiguadora aumenta. Por el contrario, a medida que el pH se desvía más de un valor pKa, la resistencia al cambio disminuye.
Desglose del termino pKa:
"p" significa logaritmo negativo, o "-log"
"K" significa "constante"
"a" significa disociación del ácido.pKa = -log(Ka) = logaritmo negativo de la constante de disociación del ácido
El valor de Ka es el grado en que un ácido se disocia en sus iones en el agua. Es una medida cuantificable de la fuerza de un ácido en solución. Afortunadamente, estos valores ya son conocidos y proporcionados para la mayoría de las sustancias.6
El valor pKa de un sistema de amortiguación nos dice básicamente dos cosas:
En términos aplicables en piscinas y en cuanto al sistema de alcalinidad, entre más cerca se encuentra el pH del nivel pKa , el cual es 6.14, más difícil será su cambio. Si su objetivo es elevarlo, esto conlleva más tiempo o más carbonato de sodio, y si su objetivo es reducirlo, esto conlleva de la misma manera mas acido. No hace falta mencionar que en una piscina nunca deberíamos de estar ni cerca de estos niveles idealmente debido al impacto negativo que esto tendría en el equilibrio del indice de saturacion de langelier.
A la inversa, también existen valores de pKb . Este es el mismo concepto que pKa, excepto que es la constante de disociación de la base. Nos indica la fuerza de una base determinada. Cuanto más bajo es el pKb, más fuerte es la base.7
El pKb es el logaritmo negativo (base 10) de la constante de disociación de la base (Kb). Kb mide la fuerza de una base en solución. Sin embargo, el pKb se utiliza con menos frecuencia en comparación con el pKa, ya que la acidez es un concepto más prevalente en química.
pKb = -log10(Kb) = 10-pKb
El pKa se puede utilizar para determinar el pKb, porque deben sumar 14. Esto se debe a que la escala de pH va de 0 a 14. Si se quiere calcular el pKb, basta con restar el valor del pKa de 14.
pKb = 14 - pKa
En cualquier sistema de amortiguación, un ácido y su base conjugada están en equilibrio entre sí. A su valor pKa, existen en concentraciones iguales y pueden interconvertir iones fácilmente. Cuando un ácido dona un protón (H+), forma su base conjugada. A la inversa, cuando la base conjugada acepta un protón, vuelve a la forma ácida.
El equilibrio entre el ácido y la base conjugada permite que el sistema regule eficazmente el pH mediante la aceptación o donación de protones según sea necesario.
Si bien aunque el pH no se puede controlar, sí se puede contener utilizando la física. Entender cómo funcionan los sistemas de amortiguación nos ayuda a controlar el pH. Demasiada alcalinidad carbonatada tendrá una alta resistencia contra el ácido, pero también será un fuerte precursor de un pH más elevado.
Nosotros en Orenda abogamos por tener una cantidad apropiada de alcalinidad basandose en su desinfectante primario y las necesidades generales de equilibrio del ISL. Las piscinas que utilizan principalmente tabletas de tricloro necesitan más alcalinidad para neutralizar el pH bajo (80-90 ppm AT). Las piscinas que utilizan principalmente cloro líquido, hipo cal y generadores de cloro salino, por el contrario, serán más adecuadas con menos alcalinidad total como en 60-70 ppm cuando el agua esté a una temperatura superior a 60ºF o en otras palabras, la piscina este en uso.
La alcalinidad y la dureza de calcio correctas depende de la temperatura del agua.
El nivel de alcalinidad adecuado permite que el agua de la piscina resista cambios drásticos de pH sin ser tan alto como para que el techo de pH llegue a ser lo suficientemente alto como para causar sarro u hojuelas de calcio en las piscinas de sal.
Esperamos que esta lección le ayude a comprender cómo la alcalinidad amortigua los cambios de pH, y cómo el valor pKa determina la fuerza del ácido en cuestión.
1 La adición de ácido convierte el ion bicarbonato en ácido carbónico al añadirle Hidrógeno (H+). Así es como los ácidos reducen el pH en una piscina con alcalinidad carbonatada. Al convertir el bicarbonato en ácido carbónico, el ácido vuelve a carbonatar el agua (imagine cómo se produce gas en la cerveza durante la fermentación), lo que aumenta la cantidad de CO2 disuelto en el agua. Cuanto más CO2 disuelto, más bajo será el equilibrio del pH. Aprenda por qué aquí.
2 Debe tenerse en cuenta que carbonato-alcalinidad (la suma de iones de bicarbonato y carbonato solamente) es en realidad una fuente de carbonatación que hace que el pH aumente de forma natural. Más alcalinidad carbonatada significa más carbonatación y, por lo tanto, más dióxido de carbono disuelto que se desprende en el aire por encima del agua. Esto se traduce en un techo de pH más alto y, por tanto, en un aumento del pH más fácil. Aprende más sobre esto en nuestro artículo sobre CO2, el pH y la Ley de Henry.
3 Wojtowicz, John. (2001). Química de los amortiguadores del agua de piscinas. Revista de la Industria de Piscinas y Spas. Vol. 3 (2), pp. 34-41.
4. Bodner Research Group (Recuperado en 2024). Pares ácido-base, fuerza de ácidos y bases, y pH. Departamento de Química de la Universidad de Purdue.
5 National Center for Biotechnology Information (2024). Resumen de compuestos PubChem para CID 7956, Ácido cianúrico
6 Los valores de pKa para cualquier par de ácido y base conjugada pueden encontrarse fácilmente en línea, al igual que las constantes termodinámicas y los pesos molares de los elementos y compuestos químicos conocidos en todo el mundo. Podemos dar las gracias a los científicos que nos han allanado el camino para entender estas cosas durante cientos de años.
7 Lower, Stephen. (Recuperado en 2024). Relación entre Ka, Kb, pKa, y pKb. Chemistry LibreTexts. Ch. 7.12.