Preparación de soluciones Reguladoras Héctor Hernández1, Dayeliz Hernández2 y Natalia Hernández3 Laboratorio de química analítica, Departamento de Química, Universidad del Valle, Valle, Calle 13 # 100-00, Cali. 1 2
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Resumen. En primer lugar se preparó una solución reguladora de NH 3-NH4Cl, donde se realizó los respectivos cálculos y se halló: la molaridad del NH 3 0,2M , los gramos de NH 4Cl para la solución reguladora 0,079g , se midió el pH de esta siendo 10,14 y el pH tras adicionar 1 mL de NaOH 0.01 M 10,11. Luego, se preparó la solución solución de HAc-NaAc, con 50 mL de HAc 0.1 M (a) y 50 mL de NaAc 0.05 M (b). (b). Se calculó los mL de cada una de las soluciones anteriores que se debe mezclar para la preparación de la solución reguladora con pH 5.00.para la solución (a) se necesitó 11 mL, para la solución (b) 39 mL. Se midió el pH de la solución resultante 4,99 después se agregó 1 mL de HCl 0.01 M y se midió el pH 5,28. Por último, Para la demostración del buffer, se determinó la capacidad reguladora de una tableta de Alka-Seltzer disolviéndola en 100 mL de agua y se midió el pH. Se adicionó NaOH 1.0 M hasta viraje del indicador, siendo 1,2 mL el volumen gastado. Se tomó 100 mL de agua y se utilizó una solución diluida de HCl para llevarla al valor de pH de la solución con la tableta. Se tituló con NaOH 1.0 M hasta viraje del indicador; el volumen utilizado fue 0,1 mL
P alabr alabr as clave: Capacidad reguladora, pH, Buffer.
1. INTRODUCCIÓN Las soluciones reguladoras o amortiguadoras son de gran importancia en sistemas químicos como biológicos, debido a su gran capacidad de resistir cambios bruscos de pH cuando se agregan pequeñas cantidades de ácido o base fuertes en una solución. Las soluciones reguladoras, pueden estar compuestas por una acido o base débil y su sal sal y deben contener una concentración relativamente grande de ácido para reaccionar con los iones OH- que se añadan, también deben contener una concentración semejante de base para neutralizar los iones H+ que se añadan igualmente. Por otra parte, se debe asegurar que estas soluciones no sean muy diluidas debido a que los componentes ácidos o básicos pueden consumirse el uno al otro en una reacción de neutralización, por lo tanto su capacidad reguladora no sería buena. Al cumplirse los anteriores requerimientos para la preparación de soluciones reguladoras, se puede asegurar su poder de controlar cambios bruscos de pH. [1] El objetivo de la practica está centrado en comprobar la capacidad reguladora de las soluciones buffer preparadas, y evaluar la capacidad reguladora de una tableta de AlkaSeltzer.
2. METODOLOGÍA 2.1. Preparación de solución Reguladora NH 3/NH4Cl Se calculó la molaridad del NH 3 concentrado. Según de los datos de densidad y concentración reportados en la etiqueta. Se encontró cuantos gramos de NH 4Cl se debe agregar a 15 mL de NH 3 concentrado para preparar 50 mL solución reguladora de pH 10. Se pesó los los gramos, se hizo la mezcla y se completó con agua hasta 50 mL. Con el pH-metro se midió el pH. Se adicionó a la sln 1 mL de NaOH 0.01 M, se mezcló bien y se midió el pH, este resultado se comparó con el pH que q ue tenía la solución antes de la adición de la base Se midió el pH a la muestra de 50 mL de agua destilada con 1 mL de NaOH 0.01 M. 2.2 Preparación de Solución Reguladora De Ácido Acético, Acetato de Sodio Se preparó 50 mL de una solución de ácido acético 0.1 M, a partir del reactivo concentrado y 50 mL de acetato de sodio 0.05 M a partir del reactivo sólido.
Se calculó cuantos mL de cada una de las soluciones anteriores se debe mezclar para preparar 50 mL de solución reguladora de pH 5.00. Se midió el pH. Se adicionó 1 ml de solución de HCl 0.01 M se mezcló bien y se midió de nuevo el pH. Se midió el pH de 50 mL de agua destilada con 1mL de HCl 0.01 M. 2.3 Demostración del buffer Se disolvió una tableta de Alka-Setzer en 100 mL de agua y se midió el pH, después se agregó 3 gotas del indicador azul de bromotimol y se adicionó gota a gota la sln de NaOH 1.0M. Se anotó el volumen gastado. Se llevó 100 mL de agua al mismo valor de pH de la solución de Alka-Seltzer con una solución diluida de HCl. Se agregó 3 gotas del indicador azul de bromotimol y se analizó con una sln de NaOH 1.0 M. Se anotó el volumen gastado.
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS
0,03 ₄ 52,5 ₄ 50 1000 1 ₄ = 0,079 ₄
Preparación de solución reguladora de Ácido acético y Acetato de Sodio Preparación de una solución de ácido acético 0,1M a partir del reactivo concentrado
99 ₃ 1,05₃ 1 ₃ 1000 100 1 60,06 ₃ 1
= 17, 31M de CH 3OOH V=
(, ₃)(,) , ₃
= 0,28 ₃
Preparación de una solución de acetato de sodio 0,05M a partir del reactivo sólido.
0,05 ₃ 82,03 ₃ 50 1000 1 ₃
= 0,20 g de CH 3COONa
Preparación de solución reguladora de Amoniaco y Cloruro de Amonio. Molaridad de NH 3 a partir de NH 4OH al 28%
28 ₄0 0,892 1 ₄ 100 1 35 ₄
Volúmenes necesarios de las soluciones anteriores para la preparación de la solución reguladora de pH 5,00 pH = pKa + log
[₃] [₃]
Al resolver esta ecuación para hallar el volumen necesario de Acetato de Sodio, se tiene que: Vsal = 39 mL de NaAc
1 ₃ 1 ₄
15 ₃ 0,5
= 0,2 ₃
Concentración Molar de NH 4Cl para preparar solución reguladora de pH 10
Haciendo uso de la Ecuación de Henderson en función del pOH y la contante de basicidad se obtiene la concentración de NH₄Cl: pOH = pK b + log
[₄] [₃]
Ec.1
Despejando la concentración se obtiene 10 ( pOH – pK b) * [NH₃] = [NH₄Cl] Teniendo como pOH = 4; pKb =4,79; [NH ₃] = 0,2 M [NH₄Cl] = 0,03 M Gramos necesarios de NH 4Cl para preparar la solución reguladora en 50mL
VÁcido= 50 mL Sln – 39mL de HAc = 11mL de HAc
Tabla 1. Medición de pH de la solución Amortiguadora de Amonio-Cloruro de Amonio y del Agua, antes y después de la adición de NaOH 0,01M. Solución Reguladora Agua destilada
pH inicial 10,14
pH final 10,11
6,78
10,26
Tabla 2. Medición de pH de la solución Amortiguadora de Ácido acético y Acetato de sodio y del Agua, antes y después de la adición de HCl 0,01M. Solución Reguladora Agua destilada
pH inicial 4,99
pH final 5,28
7,36
2,75
Tabla 3. Medición de pH y volumen de la capacidad reguladora de una tableta de Alka-Seltzer pH inicial 6,35
AlkaSeltzer
pH medio 7,35
pH final 7,85
V medio 0,8mL
V final 1,2mL
Tabla 4. Medición de pH y volumen de la capacidad reguladora de Agua destilada en función de una tableta de Alka-Seltzer Agua destilada
pH inicial 6,32
pH final 7,40
V final 0,1mL
Determinación de la capacidad reguladora de cada solución: =−
=
Ec.2
Para ácido o para Base puede ser =
(∆) ∗ ( )
=
(∆) ∗ ( )
Donde ∆pH= (pH final – pH inicial)
Al realizar los cálculos para conocer la capacidad reguladora se obtienen los siguientes resultados
Tabla 5. Capacidad reguladora de las diferentes soluciones utilizadas comparadas con el Agua destilada Solución Reguladora Capacidad reguladora Amonio-Cloruro de 6,67x10-6 Amonio Agua destilada 5,75x10 -8 Acetato de sodio y Ácido 6,89x10-7 Acético Agua destilada 4,33x10 -8
Tabla 6. Capacidad reguladora del Alka-seltzer comparada con el agua destilada. Solución reguladora Alka-seltzer Agua destilada
Capacidad Reguladora 8,0x10 -8 9,26x10 -9
4. DISCUSION DE RESULTADOS Se determinó la capacidad reguladora de los dos sistemas buffer preparados, teniendo en cuenta que la capacidad amortiguadora de un buffer se define como la cantidad de
ácido o base fuerte que puede neutralizar sufriendo un desplazamiento de pH de una unidad o menos [3]. De acuerdo con el cambio de pH medido experimentalmente, para el sistema HAc-NaAc el ΔpH= 0,29 y para el sistema NH3-NH4Cl el ΔpH= 0,03, se comprobó que la capacidad reguladora fue eficiente. Análogamente, para cada sistema, se realizó la misma prueba de capacidad reguladora, pero utilizando agua destilada, obteniendo un cambio de pH mayor a la unidad para cada uno, lo que comprueba la efectividad del buffer en comparación con la del agua. Posteriormente, se determinó la capacidad reguladora de una tableta de Alka-Seltzer, que está compuesto de cuatro ingredientes activos: el ácido acetilsalicílico, el bicarbonato de sodio, el ácido cítrico anhídrido, y el fosfato de calcio [4]. Al momento de adicionar el NaOH, ocurre la siguiente reacción: NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O reacción 1 Se requirió 0,8mL de NaOH para que el pH aumentara en una unidad, y otros 0,4mL para el viraje del indicador, lo cual indica el punto de equivalencia entre el principio activo de la tableta y el titulante. Se realizó paralelamente con agua destilada la misma titulación, pero se llegó al pH inicial de la tableta de Alka-Seltzer, adicionando HCl, y luego titulando con NaOH, requiriendo 0,1mL para el viraje del indicador. Al gastarse más NaOH para titular la solución con el Alka-Seltzer, se observa que su capacidad reguladora es mayor que la del agua destilada. Teóricamente se puede calcular esta capacidad reguladora, como se puede apreciar en los cálculos, donde se utilizó la ecuación 2 para esto. Para cada sistema buffer y para la solución de Alka-Seltzer se obtiene un valor mayor de capacidad reguladora, en comparación con el valor obtenido para el agua destilada.
5. CONCLUSIONES - Se comprobó la capacidad reguladora de un buffer, experimentalmente se obtuvo un cambio de pH menor a una unidad, en comparación con el agua destilada y teóricamente el valor numérico de la capacidad reguladora del buffer es mayor al valor del agua destilada. - Para la tableta de Alka-Seltzer, se comprobó su capacidad reguladora, que en la vida cotidiana se utiliza para regular la acidez estomacal.
6. PREGUNTAS a) La sangre humana tiene un pH aproximado de 7,35 ¿hay en la sangre una mezcla reguladora? ¿Qué sustancias podrían regular el pH? R/ La mayoría de los organismos, incluidos los seres humanos, necesitan mantener el pH dentro de un rango muy reducido para poder sobrevivir. El equilibrio ácido base de la sangre es controlado con precisión por el organismo, el cual utiliza tres mecanismos para controlarlo [5]:
concepto claro, solo hay que encontrar un compuesto con una pKa cercana a este valor de pH requerido. Una opción es la Glicilglicina, un dipeptido de la glicina, que tiene una pKa de 8,40 [6], y un rango efectivo de 7.5-8.9 [7].
c) A pesar de que las soluciones reguladoras controlan los cambios bruscos de pH, ocurren pequeños cambios por adición de ácido o base fuertes ¿bajo qué condiciones se puede obtener una máxima capacidad reguladora de un sistema buffer? Explique R/
- El exceso de ácido, llamado acidosis de la sangre, es controlado por los riñones, que lo excreta en forma de NH 3. De igual manera, existe la alcalosis, que es un exceso de alcalinidad, también regulado por este órgano.
La solución reguladora es una mezcla de un ácido y su base conjugada. Debe haber cantidades comparables de ácido o base conjugados para que haya un efecto tampón significativo. Una dsln tamponada se opone a cambios de pH cuando se le añaden ácidos o bases, o cuando se les diluye.
- Las soluciones tampón son utilizadas por el cuerpo para amortiguar los cambios bruscos de acidez en la sangre. Principalmente, utiliza un tampón formado por HCO 3- , un compuesto básico que está en equilibrio con el CO 2, un compuesto acido. Cuanto más ácido penetra en la sangre, más bicarbonato y menos anhídrido carbónico se producen; cuanta más base penetra en la sangre, más anhídrido carbónico y menos bicarbonato se producen. En ambos casos, el efecto sobre el pH es minimizado.
Sin embargo, para garantizar una máxima capacidad reguladora, la solución no debe ser muy diluida, ya que si esto sucede, una de las dos concentraciones (de [HA] o de [A-]), o sea la proporción relativa de las formas disociada y sin disociar, se va a acabar primero, y no va a regular, por lo que no se va a cumplir la ecuación de Henderson – Hasselbach, que rige este tipo de soluciones. El tampón tiene su máxima capacidad para resistir a cambios de pH cuando pH=pKa. [8]
- El tercer mecanismo para controlar el pH de la sangre implica la excreción del anhídrido carbónico. La sangre transporta el anhídrido carbónico a los pulmones, donde es exhalado. Los centros del control respiratorio en el cerebro, regulan el volumen de anhídrido carbónico que se exhala mediante el control de la velocidad y la profundidad de la respiración. Cuando la respiración aumenta, el valor del anhídrido carbónico de la sangre disminuye y esta se vuelve más básica. Cuando la respiración disminuye, el valor del anhídrido carbónico aumenta y la sangre se vuelve más ácida. Mediante la modificación de la velocidad y de la profundidad de la respiración, los centros de control respiratorios y los pulmones son capaces de regular el pH de la sangre minuto a minuto.
La capacidad reguladora se cumplirá para rangos de pH normales, que no salgan de la escala normal (1 a 14).
b) Si un proceso le exige un pH de 8,5 ¿qué sistema usaría para regular ese pH? R/
[4] Pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. (2017). Alka-seltzer . [Online]Availableat:https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/co mpound/23673598#section=MeSH-Entry-Terms [Accessed 13 Oct. 2017].
De acuerdo con la relación entre pH=pKa, si esta se cumple, se tiene la máxima capacidad reguladora. Con este
[5]: Gsdl.bvs.sld.cu. (2017). Bioquímica clínica para tecnologías de salud: Parte III. Evaluación de los trastornos
7. REFERENCIAS [1] R CHANG cap., Equilibrios ácido-base y Equilibrios de solubilidad pág.655-659 [2] página web: https://www.ecured.cu/M%C3%A9todo_gravim%C3%A9 trico_por_precipitaci%C3%B3n visitada el 10 de septiembre de 2017 [3] Ehu.eus. (2017). EFICACIA AMORTIGUADORA. [Online]Availableat:http://www.ehu.eus/biomoleculas/buf fers/efica.htm [Accessed 13 Oct. 2017].
del metabolismo: Capítulo 10. Equilibrio ácido-básico. [Online] Available at: http://gsdl.bvs.sld.cu/cgi bin/library?e=d-00000-00---off-0prelicin--00-0----0-10-0--0---0direct-10---4-------0-1l--11-es-50---20-about---000-1-00-0-0-11-1-0utfZz-800&a=d&c=prelicin&cl=CL1&d=HASH0177c0b33293a8 1c94025160.6.3 [Accessed 8 Oct. 2017]. [6] Harris, D. (2016). Análisis químico cuantitativo. 3rd ed. Barcelona [etc.]: Reverté, p.197. [7] Sigma-Aldrich. (2017). BioUltra Biológico Buffers. [Online] Available at: http://www.sigmaaldrich.com/lifescience/metabolomics/bioultra-reagents/biological buffers.html [Accessed 8 Oct. 2017]. [8]Harris, D. (2016). Análisis químico cuantitativo. 3rd ed. Barcelona [etc.]: Reverté, pp.189-190.
