UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES “ZARAGOZA”
Preparación de una disolución amortiguadora
LABORATORIO DE QUIMICA ANALITICA
EQUIPO 5 Aguilar Hernández Ana Lucia Rodríguez Cárdenas Leslye GRUPO: 2305
CICLO ESCOLAR 2014 – 2
Preparación de disoluciones amortiguadoras
Resumen Para llevar a cabo la preparación de una disolución amortiguadora o disolución buffer, se necesitó la mezcla entre el acido acético 0.1 M y su base conjugada 0.1M, en proporciones iguales 50:50, seguido por la acción de agregar tanto acetato de sodio como era necesario para que el pH llegará al deseado (pH = 4.7). Para comprobar que la disolución amortiguadora fue correctamente preparada se le adiciono una base fuerte en disolución (hidróxido de sodio 0.1M) en volúmenes pequeños, registrando el cambio en el pH después de adicionar dicha sustancia. Introducción Las disoluciones amortiguadoras son aquellas que admiten la adición de pequeñas cantidades de ácido y de base sin modificar apreciablemente el valor de su pH, su principal importancia radica en procesos químicos, industriales, biológicos, fisiológicos donde se requiere tener un sistema a un pH controlado. Marco teórico Teoría de Brösnted y Lowry Acido: especie química que cede un protón y genera una base conjugada.
Base: especie química que acepta un protón y genera un ácido conjugado. Un par ácido base conjugado consiste en dos especies relacionadas entre sí por la donación y aceptación de un simple ion hidrógeno: HA / A – y B/ BH+. De la definición anterior se deduce que un ácido posee un H+ más que su base conjugada. En consecuencia, un ácido puede ser un catión, una molécula ó un anión, ocurriendo lo mismo para las bases. Una solución amortiguadora del pH llamada también reguladora, tampón o buffer, debe tener la capacidad de “amortiguar” cantidades de ácido fuerte o base fuerte, de tal forma que el pH de la solución resultante no varíe apreciablemente, comparado con el pH de la disolución inicial. Lo anterior implica que una solución de este tipo debe estar constituida por la mezcla de un ácido (donador de protones) que neutralice una cantidad de base fuerte (hidroxilo), y por una base (aceptora de protones) que reaccione con una cantidad de ácido fuerte (protones). Esta capacidad las hace tener múltiples aplicaciones, tanto en la industria como en los laboratorios.
Estas soluciones contienen como especies predominantes, un par ácido / base conjugado en concentraciones apreciables. Una vez formada la disolución 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 (dilución) y existen dos tipos de disoluciones reguladoras:
Ácidos o bases fuertes moderadamente concentradas
En ellas el ácido fuerte o la base fuerte actúa como regulador del pH debido a su concentración; la introducción de una pequeña cantidad de ácido o de base modifica muy poco la concentración total del ácido o de base presente.
Mezclas de ácido débil y su base conjugada en concentraciones semejantes
En estas disoluciones, el mecanismo de regulación se basa en que la adición de una pequeña cantidad de ácido o base modifica muy poco la relación ácido/base del sistema regulador, relación de la que depende el pH del sistema. Cuando se tiene una mezcla de un ácido HA y de una base A- de un mismo sistema el pH de la disolución se puede calcular mediante la ecuación: pH = pKa + log ( Ca ) Cb Capacidad de amortiguación Se puede conocer que una disolución reguladora tendrá mayor capacidad de amortiguación cuando mayores sean las concentraciones de ácido y de base que contiene, ya que las reservas ácida y alcalina, encargadas de neutralizar la adición de bases y ácidos son mayores.
Preparación de disoluciones amortiguadoras Para valores extremos de pH debe escogerse como solución amortiguadora a un ácido o base fuerte, ya que las formadas por un ácido débil y su base conjugada tienen poca resistencia a la disolución en estas zonas de pH, estás disoluciones son la adecuadas para amortiguar en valores intermedios de pH.
Una disolución amortiguadora de ácido débil y su base conjugada puede prepararse de varias formas: Por adición directa del acido y de la base conjugada. Por mezclas adecuadas de un ácido débil y una base fuerte. Por mezcla de una base débil y un ácido fuerte. Calculo del pH de una disolución amortiguadora A partir de la reaccion:
Despejando [H+], sacando – log y utilizando la función pX se obtiene la fórmula para calcular el pH para las disoluciones amortiguadoras
Pero se cambia el signo, quedando:
(Bolaños, 2003) Hipótesis Para comprobar que la disolución amortiguadora o buffer preparada, fue adecuadamente preparada, deberá tener cambios mínimos en su pH al adicionarle una porción de ácido o base, para demostrar ello se le adicionó poco a poco un volumen especifico de hidróxido de sodio 0.1 M y se registró el cambio en el pH de dicha disolución.
Objetivos Preparar una disolución amortiguadora de pH de 4.7, empleando para ello las disoluciones de ácido acético 0.1M y acetato de sodio 0.1 M. Variables X = volumen de hidróxido de sodio adicionado a la solución buffer Y = cambio en el pH de la disolución amortiguadora, tras agregársele un cierto volumen de un ácido o una base. Datos de seguridad
Ácido acético
Fórmula: CH3COOH M.= 60,05 Punto de ebullición: 118°C Punto de fusión: 16.7°C Densidad relativa (agua = 1): 1.05 Solubilidad en agua: miscible. Presión de vapor, kPa a 20°C: 1.5 Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.1 Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.02 Punto de inflamación: 39°C c.c. Temperatura de autoignición: 485°C Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 6.0-17 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: -0.17 Incompatibilidades: Anhídridos. Agua. Aldehídos. Alcoholes. Halogenuros de halógeno. Agentes oxidantes (entre otros, ácido perclórico, percloratos, halogenatos, CrO3, halogenóxidos, ácido nítrico, óxidos de nitrógeno, óxidos no metálicos, ácido cromosulfúrico). Metales. Hidróxidos alcalinos. Halogenuros no metálicos. Condiciones a evitar: Temperaturas elevadas. Toxicidad aguda: DL50 oral rata: 3310 mg/kg DL50 dermal conejo:1060 mg/kg Protección personal Protección de las vias respiratorias: En caso de formarse vapores/aerosoles, usar equipo respiratorio adecuado. Filtro B. Filtro P.
Protección de las manos: Usar guantes apropiados ( neopreno, nitrilo). Protección de los ojos: Usar gafas apropiadas. Indicaciones de peligro: Corrosivo Inflamable. Provoca quemaduras graves.
Acetato de sodio
Fórmula: CH3COONa M.= 82 g/mol Aspecto: Sólido higroscópico. Color: de color blanco granulado. Olor: Característico. pH: 7,0 - 9,2 Punto de fusión/punto de congelación 324 °C Densidad relativa: (20/4) 1,45 Solubilidad: 46.5 g/100 ml. agua 20 °C Coeficiente de reparto n-octanol/agua: Temperatura de auto-inflamación: Temperatura de descomposición: desde 120 °C
Incompatibilidad y condiciones a evitar: La sustancia se descompone al calentarla intensamente y en contacto con ácidos fuertes produciendo vapores de ácido acético. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes. La disolución en agua es una base débil. Toxicidad aguda: DL50 oral mus. : 6.891 mg/kg (referido a la sustancia anhidra) DL50 oral ratas : 3.530 mg/kg (referido a la sustancia anhidra) Protección personal Protección respiratoria: En caso de formarse polvo, usar equipo respiratorio adecuado. Protección de las manos: Usar guantes apropiados Protección de los ojos: Usar gafas apropiadas.
Medidas de higiene particulares: Quitarse las ropas contaminadas, lavarse las manos antes de las pausas y al finalizar el trabajo.
Hidróxido de sodio
Formula Química: NaOH Peso Molecular: 40g/mol Estado físico a 20°C: Polvo, hojuelas. Color: Blanco Olor: Inodoro Punto de ebullición: 1388°C Punto de fusión: 318°C Densidad: 2.1 g/cm3 Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109 (muy elevada). Presión de vapor: 42/ 999°C. Viscosidad: 4 a 350°C. pH: 14 al 5% Estabilidad y reactividad: Estable bajo condiciones normales de uso y almacenamiento. Higroscópico. Fácilmente absorbe humedad del aire. Productos de descomposición: Óxido de sodio al calentarse. Incompatibilidades: Al contacto con ácidos y compuestos halogenados orgánicos, especialmente tricloroetileno, puede causar reacciones violentas. Al contacto con nitrometano u otros productos de nitro produce sales sensibles al impacto. Metales como aluminio, estaño, zinc. Reacciona con azucares para producir monóxido de carbono. Reacciona con materiales inflamables. Condiciones a evitar: Humedad, calor, llamas y sustancias incompatibles. Toxicidad aguda: LDLo oral conejo: 0.5g/Kg al 10% Protección personal
- Protección de las vías respiratorias: En caso de ventilación insuficiente, úsese equipo respiratorio adecuado. Si durante la manipulación puede producirse exposición por inhalación, se recomienda el uso de un equipo de protección respiratoria. - Protección de las manos y cuerpo: Guantes de goma o plástico, botas de goma o PVC. - Protección para la piel: Utilizar ropa de trabajo adecuada que evite el contacto del producto. - Protección para los ojos: Gafas químicas o gafas de seguridad. Mantener una ducha de emergencia visible y de fácil acceso al área de trabajo.
Cálculos
Calculo de pH
pka= 4.7
pH= 4.7 A= 0.1 M
pH= pka + log acetato de sodio ac. Acético A= ac. Acético B= acetato de sodio 4.7= 4.7 + log (B/A) 4.7-4.7= log (B/A) 104.7-4.7 = 10 log(B/A) 100 = B/A 1A=B 1(0.1 M) = B
Preparación de la disolución buffer
Despejar
Sustituir valores )(
(
)
N=0.005 mol Pasar de moles a gramos
Despejar
MCH3COOH= 60 g/mol WCH3COOH = (0.005 mol)(
)
W CH3COOH = 0.3 g
Ajustar empleando el dato de densidad, a volumen ρ= 1.0525 ρ
Considerando la pureza 0.285 ml – 99.9% X – 100%
x = 0.2853 ml
Acetato de sodio
M CH3COONa = 82 g/mol WCH3COONa = (0.005 mol)( W CH3COONa= 0.42 g
)
Considerando la pureza 0.42 g – 98% X – 100%
x = 0.4286 g
Preparación de 100 mL de disolución de hidróxido de sodio [0.1M]
Despejar Sustituir valores )(
(
)
0.01 mol = nNaOH Pasar de moles a gramos MNaOH= 40 g/mol (0.001 mol)(
) = W NaOH
W NaOH = 0.4 g
Material
Matraz aforado de 100 ml Pipeta graduada de 1 ml 1-100 Vaso de precipitados de 100 ml
Instrumentos
Potenciómetro Balanza analítica Instrumentos
Reactivos
Acido acético Acetato de sodio
Procedimiento
Lavar y secar correctamente el material.
Encender el phmetro.
Colocar los bufeers en vasos y calibrar el pHmetro .
Pesar 0.4286 g de acetato de sodio.
Terminar de aforar el matraz y agitar.
Medir 0.285 ml de ácido acético y agregarlos al matraz.
Terminar de aforar el matraz y agitar.
Colocar una cama de agua en el matraz aforado y agregar el acetato.
Contener las disoluciones en vasos de precipitados.
Mezclar ambas disoluciones
Medir el pH real de la disolución final con el pHmetro
Comparar el valo real con el teorico
De ser necesario, adicionar un volumen minimo para ajustar el pH al ideal
Resultados Registro del pH inicial de cada disolución Sustancia pH Acetato de sodio 0.1 M 7.843 Acido acético 0.1 M 2.866
Registro de pH de la mezcla, después de adicionar 50 ml de acetato de sodio 0.1 M y 50 ml de acido acético 0.1 Ml
V de acetato de sodio añadido 0 ml 3 ml 4.5 7 ml
pH mezcla 4.603 4.616 4.657 5.559 4.550 4.518
ml NaOH 0 0.5 1 2 3 4 4.5 5
Ph mezcla 4.546 4.633 4.709 4.911 4.909 5.549 5.980 10.702
Análisis de resultado A pesar de no haber preparado la disolución buffer al pH planteado y al no haber preparado correctamente la disolución de NaOH, logramos observar la capacidad amortiguadora de nuestra disolución buffer, ya que se tuvo que agregar una cantidad considerable de hidróxido de sodio para romper el equilibrio. Conclusiones Se decidió preparar la disolución amortiguadora a partir de las disoluciones separadas de sus componentes para poder llegar al pH deseado tras adicionarle la cantidad necesaria de acetato de sodio como ajustador de pH. La adición de la base fuerte (hidróxido de sodio 0.1M) a la disolución amortiguadora, registro cambios bruscos de pH, esto se debe a la incorrecta preparación de la disolución de la base, que en base a dicho pH registrado se puede intuir que su concentración es mayor al 0.1 M. Bibliografía Bolaños V. Química analítica cualitativa (reacciones en solución). México: 2003. Páginas 91100 Clavijo Díaz Alfonso. Fundamentos de química analítica: equilibrio iónico y análisis químico. Universidad Nacional de Colombia Sede Bogota. Colombia, 2002
