PREPARACION DE SOLUCIONES AMORTIGUADORAS (BUFFER)
Nombre
Correo electrónico institucional
Angie Cuasquén Portilla
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Carolina Naranjo
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Presentado al profesor: Edier Humberto Pérez
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Materia: Laboratorio de Química Analítica Programa: Ingeniería Ambiental Faculta: Ingeniería Civil Universidad del Cauca Grupo No: 2 Fecha de realización de la práctica:
14/03/15
Fecha de entrega de informe al profesor:
28/04/15
Fecha de entrega de informe calificado al estudiante:
03/05/15
1. RESUMEN En la práctica de laboratorio se realizó una preparación de soluciones amortiguadoras (buffer), estas son soluciones que al adicionar acido o base, su pH inicial no cambia, o cambia de manera muy insignificante; estas son soluciones que se mantienen buferisadas, es decir, que el pH se mantiene constante aunque se le adicione ácidos o bases. Estas soluciones buffer se preparan con un ácido débil es decir que no ioniza completamente, más una sal del mismo acido, en el laboratorio se preparó la solución buffer de la siguiente manera con ácido acético como acido débil y acetato de sodio para generar una solución amortiguadora que puede resistir los cambio en el pH, estas soluciones son utilizadas en el campo químico, biológico y bioquímico para mantener el pH de una solución en un valor constante y predeterminado y además en las soluciones amortiguadoras el pH depende de la naturaleza del ácido débil que la integra, es decir del pH del ácido; también de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. En esta práctica de laboratorio se preparara soluciones amortiguadoras a diferentes pH y al finalizar se realizaran los cálculos para preparar las soluciones buffer.
2. METODOLOGÍA 2.1 Preparación del buffer I (pH 4.0)
Se realizó los cálculos necesarios para saber cuánto volumen de ácido acético era necesario para la preparación, seguido a esto se midió la cantidad calculada de volumen y se la adiciono a un vaso de precipitado de 100mL con 50mL de agua destilada, y se midió el pH de esta solución. En la balanza se pesaron 0,05 g de acetato de sodio para después agregarlos poco a poco a solución de ácido acético midiendo su pH continuamente hasta que llegue 4.0
2.2 Preparación del buffer II (pH 7.0) Para realizar esta preparación se inició incrementando 50 veces el valor a medir de fosfato di acido de potasio, debido a que el valor necesario no se podía pesar en la balanza semianalitca, después de esto se mesclo esta cantidad con una cantidad de agua destilada incrementada nuevamente 50 veces al valor que aparece en la guía para equilibrar la solución, seguido a esto se mide el pH de los mL utilizados. En la balanza se pesaron 33.0 mg de fosfato ácido de sodio para después agregarlos poco a poco a la solución de fosfato diacido de potasio midiendo su pH continuamente hasta que llegue a 7.0
2.3 Determinación de la capacidad buffer Se prepararon 3 vasos de precipitados de 100mL cada uno con 20mL de agua destilada, el otro con la solución buffer 4.0 y el ultimo con la solución buffer 7.0; a cada una de estas soluciones se les agrego 0.50mL de HCl y se midió el pH y se continuo de esta manera hasta llegar a 3.0mL en cada adición se mide el pH. Este mismo procedimiento se realiza con la solución de NaOH.
3. RESULTADOS Tablas
Solución Agua destilada Buffer pH 4 Buffer pH 7
Solución Agua destilada Buffer pH 4 Buffer pH 7
TABLA 1 EFECTO DE LA ADICIÓN DE ÁCIDOS A UNA SOLUCIÓN BUFFER pH pH pH pH pH Vol. total adicionado (mL) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 HCl 6.41 2.59 2.23 2.11 2.04 HCl 4.24 3.82 3.37 2.99 2.74 HCl 7.00 6.79 6.48 6.03 4.61 TABLA 2 EFECTO DE LA ADICIÓN DE BASES A UNA SOLUCIÓN BUFFER Vol. total pH pH pH pH pH adicionado 0 0.5 1.0 1.5 2.0 (mL) NaOH
6.41
10.56
10.94
11.13
11.31
NaOH
4.24
4.57
5.03
5.54
5.73
NaOH
7.05
7.29
7.46
8.70
10.02
Relación en gramos para el par base ácido conjugado en cada una de las soluciones buffer preparadas.
BUFFER I pH 4: 0.05 ∗ ∗
1 210.06
= 2.38 ∗ 10− 0.056 ∗ 2 ∗
1 ∗ 2 294.54 ∗ 2
= 1.90 ∗ 10− ∗ 2
10− = 10−. = 10. = 7.41 =
á
á
á
á
(2.38 ∗ 10− ) ∗ (7.41) = = 1.76 ∗ 10− ∗ 2 ∗
294.54 ∗ 2 = 0.52 1 ∗ 2
1.90 ∗ 10− ∗ 2 = á = 0.52 3.66 ∗ 10− ∗
210.06 = 0.08Á 1
BUFFER II pH 7: pH = pKa + log (moles base / moles de ácido) 0.033 ∗ 12 ∗
1 ∗ 12 357.95 ∗ 12
= 9.22 ∗ 10− ∗ 12 0.051 ∗
1 136
= 3.75 ∗ 10− 10 pH-pKa = moles base/ moles de ácido 10−.= moles base/ moles de ácido 0.64 = moles base/moles de acido .
0.64
.× ∗( ) = .× ∗( )
0.64 = 0.033 / 0.051 Empleo de la ecuación de Henderson-Hasselbach para la realización de los cálculos de las cantidades necesarias para preparar cada buffer a partir de la cantidad inicial utilizada en el laboratorio. Solución Buffer I: = 7.4 ∗ 10− ,
= 3.13
á = 2.38 ∗ 10− = a + log
moles base moles acido
moles base 2.38 ∗ 10− 0.87 = 2.38 ∗ 10−
4 = 3.13 + log
7.41 =
2.38 ∗ 10−
= 1.76 ∗ 10− 1.76 ∗ 10− ∗
294.54 ∗ 2 1 ∗ 2
= 0.52 Solución Buffer II: : K a = 6.32*10-8, pK a = 7.20, moles = 3.75*10-4 7 = 7.20 + log
moles base 3.75 ∗ 10− mol
0.20 = .∗
Moles de base: 5.73*10-4 5.73 ∗ 10− ∗
357.95 ∗ 12 = 0.21 1 ∗ 12
Determinación del volumen teórico de ácido y base necesarios para disminuir o aumentar en una unidad el pH de cada solución amortiguadora preparada (capacidad buffer) teniendo en cuenta las masas teóricas del par conjugado y comparación del volumen hallado en la practica
Solución Buffer I: Volumen de HCl: = 7.4 ∗ 10− , = 3.13 3 = 3.13 + log 0.13 = log
10−. =
M ∗ V M ∗ V
M ∗ V M ∗ (20mL V)
M ∗ V M ∗ (20mL V )
0.74*(20mLV ) = V 20 8.51 = V = 11.48 Solución Buffer II:
KH2PO4 : K a = 6.32 *10-8, pK a = 7.19 Moles de acido 3.75 ∗ 10− 7 = 7.19 + log 0.19 = log
10−. =
M ∗ V M ∗ V
M ∗ V M ∗ (20mL V)
M ∗ V M ∗ (20mL V )
0.64(20mLV ) = V 12.8 0.64V = V 7.80mL= V V = 12.2mL
Comparación de la capacidad del buffer del agua destilada y los buffer preparados al adicionarles un ácido y una base fuerte
Se puede observar que el pH del agua es muy sensible a la adición del ácido clorhídrico. Al adicionarle 0.5mL de dicho ácido se observa que su pH baja 4 unidades, mientras que el pH de los amortiguadores permanece casi constante (bajando menos de una unidad) hasta que se le han agregado grandes cantidades de ácido. La solución que tiene menor capacidad amortiguadora es la solución buffer pH 7, ya que con iguales cantidades agregadas de ácido a todas las soluciones buffer preparadas, esta es la que presenta un cambio de pH mas apreciable. Cuando se agrega NaOH el análisis es parecido ya que se observa el cambio notorio del pH del agua variando en casi 4 unidades, a diferencia de las demás soluciones. Aquí la capacidad amortiguadora de las mismas soluciones buffer es igual a la observada en la tabla Nº1. Las reacciones entre ácidos fuertes y bases débiles avanzan hasta prácticamente completarse, al igual que las reacciones entre bases fuertes y ácidos débiles. Así pues en tanto no exceda la capacidad amortiguadora de la disolución, se puede suponer que el ácido o base fuerte se consume totalmente en la reacción con el amortiguador. Para este caso, mientras el ácido o la base fuerte (HCl o NaOH respectivamente) agregados, no excedan la capacidad de las soluciones buffer, se consumen completamente. En el caso en que el pH ya empieza a cambiar notablemente, podría considerarse que se debe a excesos del ácido o la base, lo cual se ve representado en una disminución del pH si se trata de un ácido fuerte o el aumento del pH de la solución si la adición es de una base fuerte.
4 ANALISIS DE RESULTADOS Una disolución reguladora o amortiguadora, tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se agregan pequeñas cantidades de ácidos y bases. Este debe contener una concentración relativamente grande de ácido para reaccionar con los OH- que se le añadan; y también debe contener una concentración semejante de la base semejante para que reaccione con la cantidad de iones H+ que se le añada. Además, los componentes ácidos y
básicos del amortiguador no deben consumirse el uno al otro en una reacción de neutralización. Esto requerimientos se satisfacen con un par ácido Ion base conjugado, por ejemplo un ácido débil y su base conjugada (suministrado por una sal) o una base débil y su ácido conjugado (suministrado por una sal). Las soluciones amortiguadoras, resisten cambios bruscos de pH, es por eso que al adicionarle HCl y NaOH, la variación de PH de la solución Buffer es muy pequeña. Si esta solución no fuese reguladora al agregarle el HCl (ácido fuerte), el PH disminuía en grandes proporciones, por el contrario al adicionarle NaOH aumentaría. Las soluciones tampones se pueden diluir sin que cambie la concentración del H3O. La concentración de H3O depende solamente de ka y del cociente de las concentraciones del ácido y del anión. Cuando se diluye la solución tampón, cambia la concentración de del ácido y del anión, pero el cociente permanece constante, y [H3O] no cambia. Razón por la cual al agregar agua destilada a la s/n buffer no cambiaba significativamente de pH. De igual forma sucedía cuando se agregaba un ácido y una base fuerte, la solución buffer tienden a mantener constante la concentración del H3O En algunos de los resultados se observa la diferencia entre el pH calculado y el pH obtenido por el pH meter, a partir del error calculado, todo ello provisto por las falencias en cuanto a la manipulación y preparación de las soluciones buffer lo que produjo una alteración en su pH teórico o real. La capacidad amortiguadora de una solución reguladora es la cantidad de ácido o base que se agrega para que el pH cambie en forma apreciable, por lo tanto, según las apreciaciones de las tablas, la de menor capacidad amortiguadora es la de pH 7, y se observa también que el agua no puede considerarse solución amortiguadora ya que sus cambios de pH al agregar tanto ácido como base fuertes, son demasiado notorios.
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES º Al preparar las soluciones amortiguadoras logramos determinar que el pH de las soluciones aunque se le agregue alguna otra solución; el pH de la solución amortiguadora se va a mantener él la zona útil. º Cuando la sustancia que se agrega a la solución amortiguadora es agua destilada el cambio de pH va a ser mínimo. º Al preparar una solución cualquiera los errores siempre van a estar presentes los cuales debemos tratar de corregirlos. º Las soluciones amortiguadoras cumplen un papel importante en cualquier reacción biológica ya que no permiten un cambio brusco de pH y logran mantener las soluciones en un lugar donde el pH sea óptimo para estas. º Las soluciones reguladoras o “buffer” son capaces d e mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH, por lo cual tienen múltiples aplicaciones, tanto en la industria como en los laboratorios. º Se puede seleccionar una solución buffer, una vez formada la solución reguladora, el pH varía poco por el agregado de pequeñas cantidades de un ácido fuerte ó de una base fuerte, y pierde su capacidad reguladora por el agregado de agua. º Para preparar una solución buffer a un pH determinado es necesario calcular mediante la ecuación de Henderson-Basselbalch las cantidades requeridas de ácido o sal. º Las soluciones amortiguadoras se obtienen al mezclar un ácido fuerte con su base conjugada (base débil) o una
base fuerte con su ácido conjugado (ácido débil).
6 PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS 6.1 De 5 ejemplos de aplicación de las soluciones reguladoras º Las soluciones reguladoras se usan para mantener el pH de la sangre entre 7,35 - 7,45, así como también un número masivo de reacciones bioquímicas que involucran enzimas. Las enzimas son compuestos muy complejos que con frecuencia requieren de niveles precisos de pH para así reaccionar apropiadamente, un papel que desempeñan los buffers orgánicos producidos por tu cuerpo. º Las soluciones amortiguadoras son ampliamente utilizadas en la industria. Los procesos industriales requieren de buffers incluyen la fermentación, procesos de control de teñido y la fabricación de farmacéuticos. º En microbiología también seria útil porque los medios de cultivo pueden variar el pH debido a los residuos dejados por los microorganismos, entonces lo que hace el sistema es regular mediante estas soluciones. º Las soluciones reguladoras permiten que el cuerpo tenga un pH apropiado y así un compartimento biológico (estómago, sangre, jugo pancreático) que permite que las moléculas estén cargadas eléctricamente o no como es el caso de las proteínas. También permitirá que las enzimas catalicen las reacciones correspondientes. º En la Industria agrícola, las soluciones tampón se usan para la fertirrigación y la agricultura hidropónica (cultivar plantas usando soluciones minerales y no suelo agrícola). Todas las plantas tienen un intervalo de pH en que las raíces absorben nutrientes de forma idónea. Una variación del pH puede afectar al proceso de absorción de las raíces: disminuyendo la captación de minerales y aumentando la permeabilidad a sustancias tóxicas como el aluminio. A su vez, una variación en el pH afecta la solubilidad de la mayoría de minerales. Existe un pH idóneo para cada planta dependiendo de su fisiología y de los minerales que requiere, pero, como norma general, podemos decir que precisan un pH ligeramente ácido (5.5-7) salvo excepciones como las habas con pH un tanto básico (7.4-8.1)
6.2 Porque son importantes estas soluciones en los seres vivos Las soluciones amortiguadoras son importantes en los seres vivos ya que están presentes en todas las utilidades dadas anteriormente, y en demás aplicaciones que tienen una función fundamental en la vida de los seres humanos y los seres vivos en general, al no estar presentes estas soluciones reguladoras muchas de las soluciones que tienen un pH mayor o menor al requerido, se alteraría el correcto funcionamiento de estas soluciones.
7 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 7.1. Libros Harris, Daniel, Análisis Químico Cuantitativo
7.2. Revistas Julie Alexandra Quintero González, José Antonio Gallo Corredor. Química Analítica General – Manual de prácticas , Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación. Departamento de química. Universidad del Cauca. Popayán 2010, páginas 18-33.
7.3. Páginas de Internet http://quimica4m.blogspot.com/2010/01/soluciones-reguladoras-de-ph.html
21/04/2015
