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Preparación de disoluciones amortiguadoras y Evaluación de la capacidad amortiguadora Daniel Alfaro Alfaro Laboratorio de Química Analítica, Grupo 21, Profesor: Rolando Sánchez Bachillerato en Química Industrial, Escuela de Química, Universidad Nacional, Costa Rica Fecha de Realización: 12/10/16

Fecha de entrega: 12/10/16

Fundamento Teórico

Equipo

Una disolución amortiguadora se prepara disolviendo un ácido débil (o base débil) y una sal de dicho ácido débil (o base débil). La disolución amortiguadora mantiene un sistema de equilibrio que amortigua o resiste a un cambio significativo de pH cuando se adiciona un ácido o base fuerte. Este equilibrio se basa en el principio de Le Chantelier. El equilibrio, en caso de adicionar ácido, se demuestra en la ecuación:

 

Balanza analítica electrónica marca ADAM modelo Nimbus NBL 223i pHmetro marca Mettler Toledo modelo SevenCompact S220

Datos preliminares El pH de una disolución amortiguadora se calcula de la siguiente manera: 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + log (

[𝐴−] ) [𝐻𝐴]

Otros datos importantes: En caso de adicionar base, el sistema amortiguador se comporta según la ecuación:

MM KH2PO4 = 136.0855 ± 0.00070 g/mol Pureza KH2PO4 = 100% MM K2HPO4 = 174.1759 ± 0.00070 g/mol Pureza K2HPO4 = 100% Datos Experimentales

La capacidad amortiguadora de estas disoluciones se obtiene al adicionar ácido o base fuerte hasta que el pH cambie en una unidad. Se presenta el resultado de la capacidad amortiguadora como moles de ácido o base para el cambio de una unidad de pH por litro de disolución.

Cuadro 1. Medición directa de la masa de las sales para la elaboración de una disolución amortiguadora con un pH de aproximadamente 7.10 Masa (± 0.0002)

1

Sección Experimental

K2HPO4

2.2902

Reactivos

KH2PO4

2.3051

  

Fosfato ácido de potasio Fosfato diácido de potasio Hidróxido de sodio 0.097778 (66) mol/L

1

Cuadro 2. Medición del PH en la disolución amortiguadora realizada por medio de un pHmetro marca Mettler Toledo modelo SevenCompact S220 para la determinación del pH experimental obtenido. Ítem

1

pH asignado

7.10

pH experimental

6.92

Cuadro 3. Volumen utilizado de NaOH 0.097778(66) mol/L en una disolución amortiguadora KH2PO4/ K2HPO4 hasta cambiar el pH en una unidad para la determinación de la capacidad amortiguadora experimental. mL iniciales (± 0.04)

mL finales (±0.04)

mL usados (±0.04)

0.00

3.20

3.20

Resultados Cuadro 4. Resultados obtenidos en la elaboración de una disolución amortiguadora de KH2PO4/ K2HPO4 y la evaluación de la capacidad amortiguadora de la misma. Resultados de pH

Resultados de Capacidad Amortiguadora

Teórico

7.10

Teórico

0.13466 M

Experimental

6.92

Experimental

0.01252 M

Error Absoluto Porcentaje de error

0.18 2.54%

Error Absoluto Porcentaje de Error

0.12214 90.71%

Discusión de los resultados y conclusiones Las disoluciones amortiguadoras son aquellas que se oponen a grandes cambios del pH cuando se le agrega iones hidróxido o hidronio, o sea ácido o base fuerte. Estas están compuestas en general por una sal de ácido débil y el ácido débil. El sistema formado es un equilibrio entre ácido y base conjugada. El pH no cambia en forma apreciable porque es necesario un cambio en la proporción ácido – base del orden de un factor de diez para cambiar el pH en una unidad (1). La efectividad o la capacidad amortiguadora máxima es cuando se tienen las concentraciones del ácido y la base en proporción de una unidad (1). Se dice que las disoluciones que poseen estas propiedades poseen “acidez de reserva” y “alcalinidad de reserva” (2). Las disoluciones amortiguadoras son encontradas en muchos procesos tanto químicos como biológicos los cuales son muy sensibles a los cambios de pH, por lo que es sumamente importante mantener un pH constante. Son utilizadas en la determinación calorimétrica y potenciométrica las llamadas soluciones de referencia, que poseen un pH conocido exacto y que no puedan ser fácilmente modificados. Otra aplicación es en las volumetrías que deben llevarse a un pH casi invariable o las precipitaciones que necesitan un pH especifico (3). El buffer que se creó fue de H2PO4-/HPO4-2. Este buffer es encontrado en la naturaleza en los organismos. Al ser de una pKa de 7.21, lo hace un buffer potencial para los seres vivos, para funciones del organismo las cuales no pueden exponerse a pH muy ácidos o alcalinos. Este buffer es encontrado a nivel intracelular, ya que hay altas concentraciones de fosfato, esto lo hace un excelente tampón, ya que, a más concentración, aumenta la efectividad amortiguadora. Como en las células y en los huesos hay grandes depósitos de fosfatos, esto lo hace un amortiguador importante en el cuerpo. También se encuentra en la sangre, pero a muy bajas concentraciones de 2 mEq/L, por lo que 2

no es eficiente; además, la sangre posee un tampón de más concentración de CO3-2/HCO3- (4). Respecto a los resultados, se obtuvo un porcentaje de error de 2.54% en la medición del pH del buffer realizado, lo que indica que se obtuvo una precisión aceptable, ya que no se llegó al 5% de error. Sin embargo, en la determinación de la capacidad amortiguadora experimental se obtuvo un porcentaje de error sumamente alto, de 90.71%. Esto indica poca precisión en la elaboración de la disolución amortiguadora. Sin embargo, al verse la poca relación entre el porcentaje de error del pH medido y de la capacidad amortiguadora evaluada no se considera un error de elaboración, debido a que solamente se usaron las sales de KH2PO4/ K2HPO4 y con las masas reportadas no debería obtenerse una capacidad amortiguadora tan diferente, debido a que el pH obtenido si es matemática y químicamente coherente con lo descrito anteriormente. Se considera un error grueso, posiblemente en la evaluación de la capacidad amortiguadora al adicionarle NaOH, sin embargo, no se puede atribuir con certeza.

Referencias (1)

(2)

(3)

(4)

Day Jr., R.Underwood, A. Química Analticca Cuantitava; Quinta Edición.; Prentice-Hall Hispanoamérica: 1989, 2016; pp. 90 - 115 Vogel, A. Química Analítica Cuantitativa; Segunda Edición.; Editorial Kapelusz: Buenos Aires, 1951; pp. 19-23

Apéndice PARTE I. CÁLCULO DE LAS MASAS NECESARIAS PARA LA ELABORACIÓN DE LA DISOLUCIÓN AMORTIGUADORA 

[𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ] + [𝐾𝐻2 𝑃𝑂4 ] = 0.300 𝑀 [𝐾𝐻2 𝑃𝑂4 ] = 0.300 − [𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ]



Cálculo de las concentraciones de cada sal

7.10 = 7.21 + log (

[𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ] ) 0.300 − [𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ]

[𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ] = 0.131105 𝑀 [𝐾𝐻2 𝑃𝑂4 ] = 0.300 − [0.131105] = 0.168895 𝑀



Cálculo de las masas necesarias de cada sal para la elaboración del buffer

0.131105 0.168895

𝑔 𝑚𝑜𝑙 = 2.2836 𝑔 𝐾2 𝐻𝑃𝑂4 ∗ 0.1 𝐿 ∗ 174.1759 𝑚𝑜𝑙 𝐿

𝑚𝑜𝑙 𝐿

∗ 0.1 𝐿 ∗ 136.0855

𝑔

𝑚𝑜𝑙

= 2.2984 𝑔 𝐾𝐻2 𝑃𝑂4

PARTE II. CÁLCULO DE LA CAPACIDAD AMORTIGUADORA TEÓRICA Y EXPERIMENTAL 

Capacidad amortiguadora teórica 8.10 = 7.21 + log (

0.131105 + 𝑋 ) 0.168895 − 𝑋

𝑋 = 0.134658



Capacidad amortiguadora experimental

3.2 𝑚𝐿 ∗ 0.097778



Skoog, D.A.; West, D.M.; Holler, F.J.; Crouch, S.R. Fundamentos de Química Analítica, Octava Edición; Cengage Learning: México, 2005. pp. 354-356. Berezov TT, Korovkin BF; Biochemistry, Primera edición.; Editorial Mir Publishers Moscow: Moscú, 1992 pp. 415 – 445

Relación máxima de concentración de las sales

𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ÷ 25𝑚𝐿 = 0.01252 𝐿 𝐿

Porcentaje de error en la capacidad amortiguadora % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

0.13466 − 0.01252 ∗ 100 0.13646

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 90.71%



Error absoluto en la capacidad amortiguadora

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = ⎸0.13466 − 0.01252⎹ = 0.12214

3

PARTE III. CÁLCULO DE LOS RESULTADOS DEL pH 

Porcentaje de error en el pH obtenido 7.10 − 6.92 ∗ 100 7.10 % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 2.54 % % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =



Error absoluto en el pH obtenido 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = ⎸7.10 − 6.92⎹ = 0.18

4...