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Universidad De Panamá Facultad De Ciencias Naturales Exactas Y Tecnologías Escuela De Biología Departamento de Bioquímica Prof. Alexander Arosemena

Laboratorio #1: Soluciones amortiguadoras Estudiante: Kamy Rodríguez EC-46-15095 217

Grupo: 2-5 L2 (lunes) QM

Fecha de entrega: 20 de septiembre del 2020

Introducción Las soluciones buffer o amortiguadoras son aquellas soluciones cuya concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes. Se preparan disolviendo un ácido débil (o base débil) y una sal de dicho ácido débil (o base débil). Se basa en el Principio de Le Châtelier, en el equilibrio químico. El ácido o base utilizado, siendo débil, se disocia parcialmente en la solución, por lo que hay una proporción según su constante de equilibrio tanto de producto como de reactivo. Tienen la propiedad de mantener estable el pH de una disolución frente a la adición de cantidades relativamente pequeñas de ácidos o bases fuertes. Su función es muy importante en los sistemas químicos y biológicos y los procesos que requieran un cierto valor de pH que no sea modificable con facilidad. Ya sea para el funcionamiento adecuado de las enzimas en el sistema digestivo o los glóbulos blancos en el torrente sanguíneo. En esta experiencia trabajamos realizando los cálculos necesarios para preparar soluciones amortiguadoras, y, además, evaluar la capacidad amortiguadora (cantidad de ácido o base fuerte que puede neutralizar) de las mismas.

Procedimiento 1. Realizar los cálculos utilizados para preparar 50 ml de solución amortiguadora de acetato de pH 5.2; 4.8 y 3.7 las cuales deben tener una concentración 0.1 M si el pKa es 4.74 a partir de las soluciones 0,1 M de HC2H3O2 y NaC2H3O2. (Actividad 1). 2. Preparación de soluciones diluidas a partir de las soluciones amortiguadoras en el paso anterior; para ello se rotulan 6 vasos químicos: dos con la letra A; 2 con la letra B y dos con la letra C. A la letra A se agrega 20 ml de la solución original; a las letras B se le agrega 5 ml de la solución original y 20 ml de agua y

la letra C se le agrega 5 ml de la diluida B y 20 ml de agua y calcular la concentración de la solución en cada dilución con la fórmula V 1 xC 1 =V 2 x C 2 (Actividad 2). 3. Un juego de soluciones A, B y C es titulada con HCl 0.1 M y otro juego de A, B y C se titulan con NaOH 0.1 M. Con los volúmenes consumidos por cada una de estas soluciones se determina la capacidad amortiguadora (β) (Actividad 3).

Resultados Actividad 1 Calcular los ml de soluciones de ácido acético 0.1 M y acetato de sodio 0.1M utilizados para preparar 50 ml de solución amortiguadora de acetato de pH 5.2-4.8-3.7 las cuales deben tener una concentración 0.1 M si el pKa es 4,74 a partir de las soluciones 0,1 M de HC2H3O2 y NaC2H3O2.

pH = pKa + log([Ac-]/[HAc]) 

pH 5.2

pH = pKa + log([Ac-]/[HAc]) 5.2 = 4.74 + log([Ac-]/[HAc]) 5.2 - 4.74 = + log([Ac-]/[HAc]) 0.46 = + log([Ac-]/[HAc]) Antilog * 10 (0.46) = [Ac-]/[HAc]

2.88/1 = [Ac-]/[HAc] Moles totales = 2.88 mol Ac + 1.0 mol HAc = 3.88 mol Amort  (Ac-) = (2.88 mol Ac- / 3.88 mol Amort) * 50 ml = 37.1 mL (Ac-)  (HAc-) = (1.00 mol HAc- / 3.88 mol Amort) * 50 ml = 12.9 mL (HAc-) 37.1 mL (Ac-) + 12.9 mL (HAc) = 50 mL Amort 

pH 4.8

pH = pKa + log([Ac-]/[HAc]) 4.8 = 4.74 + log([Ac-]/[HAc]) 4.8 - 4.74 = + log([Ac-]/[HAc]) 0.06 = + log([Ac-]/[HAc]) Antilog * 10 (0.06) = [Ac-]/[HAc]

1.14/1 = [Ac-]/[HAc]

Moles totales = 1.14 mol Ac + 1.0 mol HAc = 2.14 mol Amort  (Ac-) = (1.14 mol Ac- / 2.14 mol Amort) * 50 ml = 26.6 mL (Ac-)  (HAc-) = (1.00 mol HAc- / 2.14 mol Amort) * 50 ml = 23.4 mL (HAc-) 26.6 mL (Ac-) + 23.4 mL (HAc) = 50 mL Amort



pH 3.7

pH = pKa + log([Ac-]/[HAc]) 3.7 = 4.74 + log([Ac-]/[HAc]) 3.7 - 4.74 = + log([Ac-]/[HAc]) -1.04 = + log([Ac-]/[HAc]) Antilog * 10 (-1.04) = [Ac-]/[HAc]

0.09/1 = [Ac-]/[HAc] Moles totales = 0.09 mol Ac + 1.0 mol HAc = 1.09 mol Amort  (Ac-) = (0.09 mol Ac- / 1.09 mol Amort) * 50 ml = 4.1 mL (Ac-)  (HAc-) = (1.00 mol HAc- / 1.09 mol Amort) * 50 ml = 45.9 mL (HAc-) 4,1 mL (Ac-) + 45.9 mL (HAc) = 50 mL Amort

Actividad 2 y 3 Preparación de soluciones diluidas a partir de las soluciones preparadas en el paso anterior y calcular la concentración de la solución en la dilución.

[]=C V1 x C1 =V2 x C2 β = ml HCl o NaOH x M HCl o NaOH / ΔpH x 0.020 L Sol. Amort. Ph 5.2 M

mL Sol.

H2 O

[ ] de sln

mL HCL

mL NaOH

A

20 de A

0

0.1 M

18 mL

B

5 de A

20

0.02 M

C

5 de B

20

0.004 M

β NaOH (mmol o mol)

ΔpH

4 mL

β HCl (mmo lo mol) 75

16.67

1.20

10 mL

1.5 mL

36.70

5.50

1.09

2 mL

0.1 mL

7.84

0.39

1.02

Cálculos:

A 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 20 mL / 20 mL C2 = 0.1M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 18 mL HCl x 0.1 M / 1.20 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 75 mmol o mol. β NaOH = 4 mL NaOH x 0.1 M / 1.20 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 16.67 mmol o mol.

B 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.02 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 10 mL HCl x 0.1 M / 1.09 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 36.70 mmol o mol. β NaOH = 1.5 mL NaOH x 0.1 M / 1.09 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 5.50 mmol o mol.

C 

Concentración [ ]

C2 = 0.02 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.004 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 2 mL HCl x 0.1 M / 1.02 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 7.84 mmol o mol. β NaOH = 0.1 mL NaOH x 0.1 M / 1.02 x 0.025 L Sol. Amort.

β HCl = 0.39 mmol o mol.

Ph 4.8 M

mL Sol.

H2O

[ ] de sln

mL HCL

mL NaOH

β HCl (mmol o mol)

β NaOH (mmol o mol)

ΔpH

A

20 de A

0

0.1 M

14 mL

7.5 mL

62.5

33.48

1.12

B

5 de A

20

0.02 M

7 mL

3.7 mL

25.93

13.70

1.08

C

5 de B

20

1 mL

0.7 mL

4

2.8

1.00

Cálculos:

A 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 20 mL / 20 mL C2 =0.1 M 

Capacidad amortiguadora (β).

β HCl = 14 mL HCl x 0.1 M / 1.12 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 62.5 mmol o mol. β NaOH = 7.5 mL NaOH x 0.1 M / 1.12 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 33.48 mmol o mol.

B 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.02 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 7 mL HCl x 0.1 M / 1.08 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 25.93 mmol o mol. β HCl = 3.7 mL HCl x 0.1 M / 1.08 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 13.70 mmol o mol.

C 

Concentración [ ]

C2 = 0.02 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.004 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 1 mL HCl x 0.1 M / 1.00 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 4 mmol o mol. β NaOH = 0.7 mL NaOH x 0.1 M / 1.00 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 2.8 mmol o mol.

Ph 3.7 M

mL Sol.

H2O

[ ] de sln

mL HCL

mL NaOH

β HCl (mmol o mol)

β NaOH (mmol o mol)

ΔpH

A

20 de A

0

0.1 M

8 mL

15 mL

33.33

62.5

1.20

B

5 de A

20

0.02 M

3 mL

6.5 mL

10.71

23.21

1.12

C

5 de B

20

0.004 M

0.2 mL

1.3 mL

0.8

5.2

1.00

Cálculos:

A 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 20 mL / 20 mL C2 =0.1 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 8 mL HCl x 0.1 M / 1.20 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 33.33 mmol o mol. β NaOH = 15 mL NaOH x 0.1 M / 1.20 x 0.020 L Sol. Amort. β HCl = 62.5 mmol o mol.

B 

Concentración [ ]

C2 = 0.1 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.02 M



Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 3 mL HCl x 0.1 M / 1.12 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 10.71 mmol o mol. β NaOH = 6.5 mL NaOH x 0.1 M / 1.12 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 23.21 mmol o mol.

C 

Concentración [ ]

C2 = 0.02 M x 5 mL / 25 mL C2 =0.004 M 

Capacidad amortiguadora (β)

β HCl = 0.2 mL HCl x 0.1 M / 1.00 x 0.025 L Sol. Amort. β HCl = 0.8 mmol o mol. β NaOH = 1.3 mL NaOH x 0.1 M / 1.00 x 0.025 L Sol. Amort. β NaOH = 5.2 mmol o mol. Actividad 4 Analiza los resultados obtenidos en la preparación de las soluciones y en el cálculo de Capacidad Amortiguadora El pKa es el valor pH en el que una especie química aceptarán o donar un protón. Al preparar la solución con un pH de 5.2 se requirió mayor cantidad de la especie desprotonada pues cuanto menor sea el pKa, más fuerte es el ácido y mayor es su capacidad de donar protones. La solución con un pH de 3.7 pasa todo lo contrario, se requirió mayor cantidad de la especie protonada, es más básico y mayor su capacidad de recibir protones. En el caso de la solución con un pH de 4.8 es bastante peculiar, los valores de la pKa y pH están muy cerca entre sí, lo que significa que hay casi igual concentración de la especie protonada y desprotonada, se requieren cantidades similares de HC2H3O2 y NaC2H3O2 para preparar este buffer. Lo confirmamos al realizar los cálculos de capacidad amortiguadora y ver numéricamente la cantidad de especies necesaria para preparar dicho buffer. A medida que la concentración disminuye también lo hace la capacidad amortiguadora. Actividad 5

Resolver los Siguientes Problemas: 1. ¿Qué masa de NaC2H3O2 debe disolverse en 0,300 L de HC2H3O2 0,25 M para obtener una disolución de pH = 5,09? ka = 1,82 x10 -5 Datos: [Ac-] = NaC2H3O2 [HAc] = HC2H3O2 Ka = 1,82 x10 -5

pH = 5,09 V = 0,300 L

Concentración = 0,25 M

pKa = -log Ka pKa = -log 1,82 x10 -5 pKa = 4.74 pH = pKa + log([Ac-]/[HAc]) 5,9 = 4,74 + log([Ac-]/[HAc]) 5.9 - 4.74 = + log([Ac-]/[HAc]) 1,16 = + log([Ac-]/[HAc]) Antilog * 10 (1,16) = [Ac-]/[HAc]

14,45/1 = [Ac-]/[HAc] [Ac-] = 14,45 [HAc] [Ac-] + [HAc] = 0,25 M 14,45 [HAc] + [HAc] = 0,25 M 15,45 [HAc] = 0,25 M [HAc] = 0,25 M / 15,45 [HAc] = 0,0162 M

[Ac-] = 0,25 M – 0,0162 M = 0,2338 M

g [Ac-] = PM * M * V (L) g [Ac-] = 82,04 g/mol * 0,2338 mol/L * 0,300 L g [Ac-] = 5,75 g NaC2H3O2 2. Se titulan 15 mL una disolución amortiguadora que tiene un pH inicial de 4.32. Luego de titular con HCl 0.015 M, este consume un volumen de 6.5 ml y su pH descendió a 3.28. Calcule su capacidad amortiguadora.

Datos: V sol. = 15 mL = 0.015 L mL HCl = 6.5 mL M HCl = 0.015 M ΔpH = 4.32 - 3.28 = 1.04 β = ml HCl x M HCl / ΔpH x 0.020 L Sol. Amort. β = 6.5 mL x 0.015 M / 1. 04 x 0.015 L Sol. Amort. β = 6.25

Cuestionario (Actividad 6) 1. ¿Cuál amortiguador resultó ser más eficiente y resistente a la adición de ácido y base? ¿Qué puede deducir de estos resultados? Las soluciones preparadas con un pH de 4.8, el pH es muy cercano a la pKa, y cuando el pH es igual al pKa del ácido, hay igual cantidad de las formas protonada y desprotonada de la molécula, se necesita mayor cantidad de mmol o mol de ácido o base para aumentar o disminuir una unidad de pH lo que se traduce en una mayor capacidad amortiguadora. 2. ¿Cómo afecta la adición de agua al pH de los tres amortiguadores preparados en el paso 1? Explique brevemente No afecta, las soluciones tampones se pueden diluir sin que cambie la concentración. La concentración 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, no cambia. Razón por la cual al agregar agua destilada al buffer no cambiaba significativamente de pH. 3. ¿Por qué la disolución de NaCI no resiste la adición del mismo volumen de NaOH que el amortiguador de acetato? Esto se debe a que el NaCl no tiene propiedades amortiguadoras es decir que no se resiste a cambios de pH como sucede en una solución amortiguadora la cual tiene esta propiedad además de tener una capacidad amortiguadora en donde el número de moles de iones hidronio y iones hidroxilo que se requieren para producir un cambio de PH de una unidad. 4. Mencione cuatro usos específicos de las disoluciones amortiguadoras en un campo de interés de su carrera. Explique brevemente.



El comportamiento del agua de mar. El pH del agua de mar es de aproximadamente 8,2. El pH es básico, debido a la acción en conjunto del CO2 atmosférico y de los seres vivos que se encuentran en el interior del mar desempeñando un papel importante, permitiendo que numerosas especies evolucionen y desarrollen un caparazón calcáreo. La fabricación de este caparazón se basa en segregar iones calcio, que, junto al carbonato presente en el agua, genera el carbonato de calcio que es un sólido bastante insoluble, cuya función es la de recubrir gradualmente las partes blandas del organismo. El consumo de carbonato, para formar carbonato de calcio, trae como consecuencia el desplazamiento del pH hacia valores más básicos, así como una presencia mucho mayor de bicarbonato disuelto en el agua, lo que permite mantener el pH en el rango Entonces, el control de pH se debe a que las propias sustancias que se encuentran disueltas en el agua de mar limitan el cambio en la H+ después de la adición de HCl.  Amortiguador proteína. Las proteínas intracelulares con sus grupos ionizables con diferentes valores de pK contribuyen de forma importante en el mantenimiento del pH, mediante el intercambio de H+ con iones unidos a proteínas que se desplazan al medio extracelular para mantener la neutralidad eléctrica. Por ejemplo, el sistema amortiguador hemoglobina, es un tampón fisiológico muy eficiente debido tanto al cambio de pK que experimenta al pasar de la forma oxidada a la reducida, como a la gran abundancia de esta proteína en la sangre (15% del volumen total sanguíneo) y al hecho de que actúa dentro de los hematíes. Las propiedades amortiguadoras de la hemoglobina desempeñan un papel fundamental en el transporte sanguíneo del CO2 tisular hasta su eliminación pulmonar. En el interior del hematíe, por acción de la Anhidrasa Carbónica, el CO2 se va a convertir en ácido carbónico que se disocia dando un H+, que rápidamente será tamponado por la hemoglobina, y bicarbonato que saldrá fuera del hematíe en intercambio con iones cloro.  Amortiguador fosfato. El tampón fosfato está compuesto por el hidrógeno fosfato (HPO42-) y el dihidrógeno fosfato (H2PO4-). Ejerce su acción fundamentalmente a nivel intracelular, ya que es aquí donde existe una mayor concentración de fosfatos y el pH es más próximo a su pK. Interviene junto a las proteínas celulares de manera importante en la amortiguación de los ácidos fijos Actúa en el plasma y el líquido intersticial. Este tampón tiene un pKa de 6,8, el cual está mucho más cerca del pH plasmático. Esto significaría que este tampón tendría que ser más útil que el anterior, pero no es así ya que se encuentra en concentraciones menores en sangre y la eliminación del fosfato es mucho más lenta, por vía renal. 

Amortiguador carbónico/bicarbonato.

El tampón bicarbonato está compuesto por ácido carbónico (H2CO3) y bicarbonato (HCO3-) y el valor de su pKa es de 6,1. Es el tampón más importante de la sangre (pH = 7,4), representa el 75 % de la capacidad buffer total de la sangre. También está presente en el líquido intersticial. Poco potente desde el punto de vista químico, (pK =6.1). Es el tampón más importante en la homeostasis del pH porque: - Está presente en todos los medios tanto intracelulares como extracelulares. En el medio extracelular la concentración de bicarbonato es elevada (24 mEq). - Es un sistema abierto: la concentración de cada uno de los dos elementos que lo componen son regulables: el CO2 a nivel pulmonar y el bicarbonato a nivel renal. 5. Mediante un diagrama con reacciones y basándose en el equilibrio químico, explique cómo se comporta un amortiguador cuando se le adiciona un ácido y una base fuerte. A partir del ácido débil ácido acético (HC2H3O2) y su sal, acetato de sodio (NaC2H3O2). Cuando se agrega una pequeña cantidad de ácido, se combina con el ión acetato, C2H3O2. En este caso el equilibrio se desplaza en la dirección de los reactivos: ácido acético y agua. Habrá una pequeña reducción de la cantidad del [C2H3O2] y un pequeño aumento del [HC2H3O2]. HC2H3O2(ac) + H2O(l) — H3O+(ac) + C2H3O2-(ac) El equilibrio se desplaza a la izquierda Si se agrega una pequeña cantidad de base a esta disolución tampón, se neutraliza por el ácido acético, HC2H3O2, que desplaza el equilibrio en la dirección de los productos: ión acetato y agua. La concentración del ácido [HC2H3O2] disminuye un poco, y la del [C2H3O2-] aumenta un poco. HC2H3O2(ac) + OH-(ac) — H2O(l) + C2H3O2-(ac) El equilibrio se desplaza a la derecha

HC2H3O2

C2H3O2 HC2H3O2

C2H3O2

Conclusiones

C2H3O2 HC2H3O2

Su principal característica es que mantiene estable el pH de una disolución ante la adición de cierta cantidad de ácido o base fuerte. El objeto de su empleo, en técnicas de laboratorio, es precisamente impedir o amortiguar las variaciones de pH y, por eso sirven para mantener constante el pH. 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. Cuando la sustancia que se agrega a la solución amortiguadora es agua destilada el cambio de PH va a ser mínimo. La relación entre la cantidad de ácido débil y su base conjugada es próxima a uno la capacidad amortiguadora alcanza un punto máximo. Los tampones fisiológicos son la primera línea de defensa frente a los cambios de pH de los líquidos corporales. El pH de los medios biológicos es una constante fundamental para el mantenimiento de los procesos vitales. La acción enzimática y las transformaciones químicas de las células se realizan dentro de unos estrictos márgenes de pH....