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PREPARACION Y DETERMINACION DE LA CAPACIDAD AMORTIGUADORA DE LAS SOLUCIONES BUFFER José Heriberto Vargas Espinosa 1. Programa De Biología, Facultad Facultad de Ciencias Básicas y Tecnología, Universidad del Quindío - Colombia.
R esumen — Una disolución reguladora o buffer, es una disolución formada por un ácido débil o una base débil y por su sal; los dos componentes deben estar presentes. En esta práctica de laboratorio se evaluó el efecto amortiguador de una solución de fosfatos (fosfato monobásico de potasio KH2PO4/fosfato bibásico de potasio K2HPO4), un sistema amortiguador común en el medio intracelular, y de una solución de alka-seltzer, un medicamento usado para combatir la acidez gástrica. Después de haber llevado a cabo su preparación, se llevó el proceso teórico y práctico para comprobar su capacidad amortiguadora agregando ciertas cantidades cantidades de ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de sodio (NaOH). Finalmente se obtuvieron importantes resultados, ya que se demostró la capacidad amortiguadora de éstas soluciones. Luego, se realizó otra práctica de laboratorio donde se determinó el punto isoeléctrico de varios aminoácidos, para ello fue necesario medir el pH inicial del aminoácido estudiado. Después de esto se hizo la titulación con HCl, a medida que se iba titulando se medía el pH de la solución y se registraban los datos. Este procedimiento se realiza igualmente con los demás aminoácidos y se procede también a hacer la titulación utilizando NaOH.
PALABRAS CLAVE Disolución, Amortiguador, Intracelular, Titulación, Aminoácido, pH, Punto — Disolución,
I.
INTRODUCCIÓN
medio ácido o básico se utiliza la ecuación 1 (HendersonHasselbach). = +
Soluciones Amortiguadoras
S
on aquellas soluciones cuya concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes. El objeto de su empleo, es precisamente precisamente impedir o amortiguar amortiguar las variaciones de pH y, por eso, eso, suele decirse que sirven para mantener constante el pH. Los más sencillos están formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con base fuerte, por ejemplo, una mezcla de ácido acético y acetato de sodio; o bien una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte, por ejemplo, amoníaco amoníaco y cloruro de amonio. amonio. Se puede entender esta propiedad como consecuencia del efecto ion común y las diferentes constantes de acidez o basicidad: una pequeña cantidad de ácido o base desplaza levemente el equilibrio ácido-base débil, lo cual tiene una consecuencia menor sobre el pH 1. Cada sistema buffer tiene su propio rango efectivo de pH, el cual dependerá de la constante de equilibrio del ácido o base empleado. Son importantes en el laboratorio y en la industria, y también en la química de la vida. Tampones típicos son el par amoníaco-catión amonio, ácido acéticoanión acetato, anión carbonato-anión bicarbonato, ácido cítrico-anión citrato o alguno de los pares en la disociación del ácido fosfórico. Para llevar a cabo su preparación o determinar su pH después de haber sido expuesto a un
Isoeléctrico
[ ] [á]
Ecuación 1. Ecuación Henderson-Hasselbach. Cabe aclarar que para las bases se remplaza pH por pOH y se tomaría en cuenta el ácido ácido conjugado y la la base débil. Si las concentraciones del ácido y su base conjugada son prácticamente prácticamente iguales, es decir [ácido] es casi igual [base conjugada], y entonces el pH es casi igual al pKa.
Capacidad amortiguadora Podemos definir la capacidad amortiguadora de un tampón como la cantidad de ácido o base fuerte que puede neutralizar sufriendo un desplazamiento de pH de una unidad (imagen 1). Resulta evidente que la eficacia amortiguadora está vinculada a dos factores:
La concentración absoluta del sistema La proporción relativa de las formas disociada y sin disociar
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aminoácidos es muy importante para comprender las propiedades físicas y biológicas de las proteínas. Además las tecnologías de separación, identificación y cuantificación de los diferentes aminoácidos se basan en estas propiedades. La estructura que se muestra anteriormente de la glicina, es su forma no iónica, pero a pH neutro predomina su estructura zwitteriónica, que es la siguiente:
Los aminoácidos tienen curvas de titulación características. características.
Imagen 1. Desplazamiento de pH. http://www.ehu.es/biomoleculas/buffers/efica.htm.
Los ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico, (ácidos fuertes), están completamente ionizados en soluciones acuosas diluidas; al igual que las bases fuertes NaOH y KOH. Los bioquímicos están frecuentemente más interesados en el comportamiento de los ácidos y bases débiles, que son los que están parcialmente ionizados al disolverse en el agua. Un dador protónico y su correspondiente correspondiente aceptor forman un par ácido base conjugados. conjugados. Cada ácido tiene una una tendencia característica característica a perder su protón en solución acuosa. Cuanto más fuerte sea el ácido mayor será la tendencia a perder el protón. La tendencia de cualquier ácido (HA) a perder un protón y formar su base conjugada (A -) se define mediante una constante de equilibrio (K) para la reacción reversible:
Las constantes de disociación de los ácidos (constantes de equilibrio) son a menudo designadas como K a. Los ácidos más fuertes como el fórmico y el láctico, tienen constantes de disociación más altas; el pK a es análogo al pH y se define mediante las ecuaciones: 1 pH = -log [H +] ; pK a = log Ka = -log K a La titulación se utiliza para determinar la cantidad de un ácido en una solución, se titula un volumen determinado de ácido con una solución de una base fuerte, normalmente NaOH, de concentración conocida. El NaOH se añade en pequeñas porciones hasta que se ha consumido (neutralizado) el ácido según se determina mediante un colorante indicador o un pHmetro. Al graficar el pH frente a la cantidad de NaOH añadido, obtenemos obtenemos la curva curva de titulación. En el el punto medio medio de la titulación las concentraciones concentraciones del dador de protones y del aceptor de protones son iguales, en este punto el pH es numéricamente numéricamente igual al pK a. El rasgo más importante de la curva de titulación de un ácido débil es que muestra gráficamente que un ácido débil y su anión, un par ácido-base conjugados, pueden actuar como tampones, es decir, presentar una buena capacidad amortiguadora de cambios de pH. La relación cuantitativa entre pH, la acción tamponante de una mezcla de ácido débil con su base conjugada, y el pK adel ácido débil viene dada por la ecuación de Henderson-Hasselbach , que se anuncia a continuación en su forma más general: La estructura general de los aminoácidos presentes en las proteínas, es la siguiente:
En el siguiente experimento de laboratorio se preparara una Solución tampón de fosfatos (fosfato monobásico de potasio KH2PO4/fosfato difásico de potasio K2HPO4) y una solución de Alka-Seltzer®. Además se identificara la capacidad amortiguadora de dichas soluciones, agregándoles NaOH y HCl y se comprobará experimentalmente experimentalmente los conceptos teóricos analizados previamente. En el segundo Comprobaremos el carácter anfotérico de los aminoácidos. Y también, Comprobar la estructura de ion dipolar de los aminoácidos.
II. III.
Con excepción de la esta estructura es aminoácidos, y el glicina:
naturaleza del grupo R, común a todos los más sencillo de éstos es la
Los aminoácidos en solución acuosa están ionizados y pueden actuar como ácidos o como bases. El conocimiento de las propiedades ácido-base de los
METODOLOGÌA CONCLUSIONES
Se identificó el proceso que se lleva a cabo para preparar soluciones buffer, manejando la ecuación de Henderson-Haselbach, y utilizando la propiedad que a igual concentración de la sal-ácido, el pKa será casi igual al pH. También se concluyó que si se aplica la leyenda anterior, se pueden preparar excelentes soluciones amortiguadoras amortiguadora. Asimismo la preparación de las soluciones deben ser entre un ácido o base débil y su sal derivada, para que no se neutralicen entre sí. Se comprobó experimentalmente la capacidad amortiguadora de las soluciones buffer, al compararlo con los datos de los estudios teóricos. Además de esto, se analizó teóricamente el proceso químico que se lleva a cabo para que este pH se mantenga constante, y pueda ser así una solución muy importante tanto para el desarrollo del hombre como para la existencia de los seres vivos. La preparación de soluciones buffer es muy importante cuando se requiere mantener el pH, por ejemplo en el organismo humano. Para que la solución quede bien preparada se deben tomar las medidas necesarias para evitar el error humano. Se puede inferir que los errores obtenidos en la práctica son producto del error humano, ya que las mediciones y los análisis no son exactos. Esta práctica, aunque su desarrollo fue sencillo, nos deja conocimientos amplios, sobre todo las curvas de titulación, que son herramientas muy poderosas, ya que a través de éstas pudimos determinar, por
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ejemplo, el pKa, el pKb, y por medio de éstos, el punto isoeléctrico isoeléctrico de un aminoácido. aminoácido. El conocer el comportamiento ácido-base de los aminoácidos es de vital importancia, por ejemplo, para su separación. separación. Además esta práctica nos ayuda a entender las propiedades de los aminoácidos, como co mo su elevado punto de fusión, que podemos atribuir a su estructura de ión dipolar
IV.
R EFERENCIAS EFERENCIAS
[1] Raymond Chang. Química General 10 Ed ., Capitulo 16. Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad. solubilidad. Pág. 717(2010).
[2] Petrucci. Química General 8ª Ed. Capitulo 18. Otros aspectos de los equilibrios ácido-base. Pág. 714(2003).
[3] http://atenea.udistrital.edu.co/g http://atenea.udistrital.edu.co/grupos/fluo rupos/fluoreciencia/capitulos_f reciencia/capitulos_fluorecie luorecie ncia/qamb_cap10.pdf.
[4] http://www.javeriana.edu.co/prueb http://www.javeriana.edu.co/pruebas/wordpressII as/wordpressII/vera/files/9./vera/files/9.Solucion-Amortiguadora3.pdf.
V.
CUESTIONARIO
I.
E N UN SISTEMA TAMPÓN DE FOSFATOS PREPARADO CON ESTAS DOS SUSTANCIAS , LA PRIMERA ACTÚA COMO ÁCIDO DÉBIL (K A=6.2X10-8, P K A=7.2) Y LA SEGUNDA COMO LA SAL CONJUGADA DEL ÁCIDO DÉBIL (EN GENERAL, EL ÁCIDO Y SU SAL CONJUGADA SE DIFERENCIAN EN QUE EL ÁCIDO TIENE UN PROTÓN MÁS QUE SU SAL ). COMO SE DISCUTIÓ EN LA PARTE TEÓRICA DEL CURSO , ESTE TAMPÓN ES MÁS EFECTIVO CERCA AL P H DE 7.2, QUE ES EL PK A DEL ÁCIDO DÉBIL. U N TAMPÓN DE FOSFATOS A PH 7.2 SE OBTENDRÁ SIEMPRE QUE LAS CONCENTRACIONES DEL ÁCIDO DÉBIL Y SU SAL SEAN IGUALES , COMO SE CONCLUYE AL RESOLVER LA ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBACH:
pH = pKa + log sal / ácido débil 7.2 = -log(6.2x10-8) + log sal / ácido débil 7.2 -7.2= log sal / ácido débil 100= sal / ácido débil [ácido débil]=[sal]
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