Soluciones amortiguadoras

Disoluciones amortiguadoras. INTRODUCCIÓN Se le llama solución amortiguadora, a la que se opone a grandes cambios de pH cuando se le adicionan iones hidrógeno o hidróxido, o cuando se diluye. Muchos procesos químicos y biológicos son muy sensibles a los cambios de pH en una solución y es muy importante mantener el pH tan constante como sea posible. Por lo tanto las soluciones amortiguadoras son de considerable interés en las ciencias químicas y biológicas. (1) En general una solución amortiguadora contiene un par ácido-base conjugado, como HOAc-OAc- o NH3 – NH4. Estos componentes reaccionan con cualquier ion hidrógeno o hidróxido que entre en la solución. Por ejemplo si el amortiguador contiene HOAc y NaOAc, cualquier ion hidrógeno que entre en la solución se consumirá por la reacción con el ion acetato: (1) H3O+ + OAc-

HOAc + H2O

y cualquier ion hidróxido reaccionará con las moléculas de ácido acético: OH- + HOAc

OAc- + H2O

El pH no cambia en forma apreciable por que es necesario un cambio en la proporción de ácido-base del orden de un factor de diez para cambiar el pH en una unidad: pH = Pka – log [HOAc] [OAc-] o bién: pH = Pka – log [OAc-] [HOAc] Efectividad del amortiguador. La efectividad de una solución amortiguadora para oponerse al cambio de pH por unidad de ácido fuerte o base que se añade es mayor cuando la proporción de ácido amortiguador a la sal es de una unidad. En la titulación de un ácido débil, este punto de efectividad máxima se alacanza cuando el ácido esta neutralizado a la mitad, o el pH = pka. (1) Capacidad del amortiguador. La capacidad de un amortiguador es la medida de su efectividad para resistir los cambios de pH con la adicción de ácido o base. Mientras más grandes sean las concentraciones del ácido y la base conjugada, mayor será la capacidad del amortiguador. Al preparara un amortiguador para un pH deseado, el analista debe seleccionar un sistema ácido-sal (o base-sal) en la cual el pka del ácido este lo más

cerca posible al pH que se desea amortiguar. Con esta selección, la proporción ácido-sal es cercana a la unidad y se obtiene la máxima efectividad contra el incremento o decremento del pH. La concentración real del ácido y la sal utilizados depende de la resistencia al cambio de pH que se desea obtener. (1)

MATERIAL:  1 Matraz volumétrico de 100 ml  2 Vasos de precipitado de 100 ml  2 Vasos de precipitado de 200 ml  1 Agitador de vidrio  1 Vidrio de reloj  1 Espátula  1 Bureta de 50 ml  1 Soporte universal  1 Pinzas para bureta  1 Potenciómetro con electrodo de vidrio para ph  1 Pipeta graduada 1 ml, 1/100  1 Pipeta volumétrica de 10 ml  1 Propipeta  1 Balanza analítica  1 Parrilla con agitación magnética  1 Barra magnética  1 Piseta con agua destilada

REACTIVOS Y DISOLUCIONES: 1.- CH3COOH 2.- CH3COONa

3.-disolucion amortiguadora ph 7.0 4.- disolucion amortiguadora ph 4.0 5.-100 ml de disolucion amortiguadora de acetato de sodio-ácido acético 1.0 m y ph 5.0 6.-250 mL de disolución de NaOH 0.10 M 7.-100 mL de disolución de HCl 0.10 M 8.-100 mL de disolución de NaCl 0.10 M

METODOLOGIA: A) PREPARACION DE LA DISOLUCION AMORTIGUADORA DE pH 5.00:

Se pesó 5.248 g de CH3COONa en un vidrio de reloj.

Se disolvió la sal en un vaso de precipitado con 50 mL de agua y se adicionó 2.1 mL de ácido acético glacial (con una ρ= 1.06 g/ml, 99% en masa)

Ajustamos el valor a 5.00 adicionando NaOH y aforamos en un matraz volumétrico de 100 mL

B) NORMALIZACION DE LA DISOLUCION DE NaOH 0.10M: Este paso se omitió B) DETERMINACION DE LA CAPACIDAD AMORTIGUADORA:

Se colocó una alícuota de 20.0 mL de disolución amortiguadora que se preparo en el inciso “a” en un vaso de precipitado de 100 mL (esto se realizó 2 veces más).

Se colocó una alícuota de 20.0mL de la disolución de NaCl a 0.10 M.

Posteriormente se midió el pH inicial de esta disolución y se adicionó NaOH a 0.10 M hasta que el pH cambio (se realizo por duplicado).

CUESTONARIO 1. ¿Por qué la disolución de cloruro de sodio no resiste el mismo volumen de NaOH que el amortiguador de acetatos? Porque el cloruro de sodio es una sal neutra que no tiene la capacidad de interaccionar con la base que se le agregue, es decir, cuando le agreguemos la base, el potenciómetro lo que hace es medir la cantidad de grupos hidroxilos añadidos, porque están libres, no hay ninguna solución que los atrape para que se mantenga el pH, y por lo tanto éste se dispara a pocas cantidades de base añadidas. 2. Mencione usos específicos de las disoluciones amortiguadoras en un campo de

interés de su carrera (esboce la técnica en donde se utiliza). Las disoluciones amortiguadoras son muy importantes en los sistemas químicos y biológicos. El pH en el cuerpo humano varía mucho de un fluido de a otro; por ejemplo, el pH de la sangre es alrededor de 7,4, en tanto que el del jugo gástrico humano es de alrededor de 1,5. En la mayor parte de los casos, estos valores de pH, que son cítricas para el funcionamiento adecuado de las enzimas y del balance de la presión osmótica, se mantienen gracias a las disoluciones amortiguadoras. (3) 3. ¿Qué entiende por capacidad amortiguadora? La capacidad de un amortiguador es la medida de su efectividad para resistir los cambios de pH con la adicción de ácido o base. Mientras más grandes sean las concentraciones del ácido y la base conjugada, mayor será la capacidad del amortiguador. (1) 4. ¿Cuál de las siguientes bases sería la más apropiada para preparar una disolución buffer de Ph 9.0? Consulte el apéndice H, los valores de pka. a) b) c) d) e)

NH3 C6H5NH2 (anilina) H2NNH2 (hidrazina) C5H5N (piridina) H2NOH (hidroxilamina)

En general las cinco opciones anteriores serian buenas para una solución amortiguadora, sin embargo si lo que se quiere es una solución buffer de pH 9, la mejor es el amoniaco, puesto que es el que tiene un pka mas baja, garantía de ser un ácido muy débil, y esto es lo que nos permitiría una buena solución. Con reacciones y basándose en el equilibrio químico explique como se amortigua el valor de pH en una disolución buffer, cuando se le adiciona una base fuerte a este sistema. Supongamos un amortiguador constituido de ácido acético y acetato de sodio. El ácido estará parcialmente disociado estableciendo un equilibrio entre las partículas de ácido sin disociar los iones hidrógenos y los iones de base conjugada. El acetato de sodio, como todas las sales, está disociado completamente y, por esta causa, el ión acetato procedente de la sal desplaza el equilibrio hacia la formación de ácido, disminuyendo la concentración de hidrogeniones libres. La presencia conjunta de la sal y el ácido hace decrecer la acidez libre. Si las cantidades de sal y ácido son del mismo orden de magnitud, la concentración de iones hidrógenos se regulará por la reacción de equilibrio del ácido, es decir (4): CH3-COOH ↔ CH3-COO - + H+ Si añadimos al sistema una base fuerte, por ejemplo hidróxido de sodio, los iones hidroxilos consumen rápidamente iones hidrógenos del sistema para formar agua, lo que provoca la transformación de una parte del ácido acético libre en acetato que es una base menos fuerte que el hidróxido de sodio. (4) 4. Calcule los valores de pH para cada una de las siguientes disoluciones

amortiguadoras: a) CH3COOH O.25M y CH3COONa 0.85M Utilizando la fórmula de Henderson-Hasselbach: pH= pka + log [Base] / [Ácido] y considerando que la pka del acido acético es de 4.75. pH= 4.74 + log [0.85 M] / [0.25 M]

pH= 5.27

b) NaH2PO4 0.10 M y H3PO4 0.10M Considerando que la pka del acido fodfórico es de 7.20. pH= pka + log [Base] / [Ácido], pH= 7.20 + log [0.1M] / [0.1M]

pH= 7.20

c) NaHCO3 0.0020 M y Na2CO3 0.3000 M Considerando que la pka del bicarbonato de sodio es de 10.33. pH= pka + log [Base] / [Ácido], pH= 10.33 + log [0.3 M] / [0.002 M] pH=12.5 7. utilice los coeficientes de actividad para calcular el pH de una disolución de hidróxido de sodio 0.010 M. Utilizando la fórmula: pOH= - log [OH]

pOH= -log (0.01 M), pOH= 2.

Como el pH + pOH = 14, pH= 14 – 2, pH= 12. 8. ¿Cuántos gramos de bicarbonato de potasio se deben agregar a 3.56g de carbonato de sodio para obtener 2 litros de solución amortiguadora de pH 10.2? Utilizando la fórmula: pH= pka + log [Base] / [Ácido] -Sabiendo que la pka del bicarbonato de potasio es de 10.33, sustituimos en la fórmula. 10.2= 10.33 + log [Na2CO3] / [KHCO3] -Podemos obtener la molaridad del carbonato de sodio en base a los gramos añadidos a la solución: M= n / V, n = m/ PM, n= 3.56 g / 106 gmol, n= 0.0335 mol; M= (0.0335 mol)/ (2 L) M= 0.0167 mol/L -Sustituyendo este dato en la formula y despejando: -log [KHCO3 ] = 1.6473, [KHCO3 ]= 0.000193 M n= (0.000193 mol/L) (2 L), n= 0.000386, m= (0.000386mol) (100), m= 0.0386 g. Por lo tanto se deben pesar 0.0386 g Kg de bicarbonato de potasio para obtener 2 L de una solución amortiguadora de pH 10.2. a) ¿Cuál sería el nuevo valor de pH, si a la solución anterior le adiciona 155.0 ml de HCL 0.10 M? Utilizando la fórmula: C1V1=C2V2 -Obtenemos primero las concentraciones de los compuestos en la nueva solución, es decir, después de haber añadido la solución de HCL: Na2CO3 C2 = (0.0167 M) (2 L) / 2.155 L, C2 = 0.0154 M KHCO3 C2 = (5.192 M) (2 L) / 2.155 L, C2 = 4.81 M HCl C2 = (0.10 M) (0.155 L) / 2.155 L, C2 = 0.00719 M -Ahora se sustituye en la fórmula: pH= pka + log [Base] / [Ácido], pka HCl= -6.1 pH= -6.1 + log [0.0154M] [4.81 M] / [0.00719] , pH= -5.087. El valor es negativo porque lo que sacamos es la diferencia del pH, por lo tanto se le suma al pH original: 10.2 – 5.087= 5.11, es el pH de la solución después de haber añadido el acido clorhídrico. b) Cuantos ml de HCL 0.43 M se deben agregar a 9.20 g de carbonato de sodio para obtener 500 ml de disolución amortiguadora de carbonato de sodio/bicarbonato de sodio con pH 10.0? -Utilizamos la misma fórmula que antes: pH= pka + log [Base] / [Ácido] -Ahora obtenemos la concentración molar del carbonato de sodio: M= n / V, n = m/ PM, n= 9.20g / 106 gmol, n= 0.086mol, M= (0.086mol)(0.5 L), M= 0.043 mol/L -Sustituimos en la formula original: 10=-6.1 + log [0.043M] – log [HCl], -log [HCl]= 2.534, [HCl]= 0.07942 M -Ahora usamos C1V1=C2V2 V1= (0.07942 M)(0.5 L) / 0.43 M, V1= 0.092 L, ó 92.34 ml.

Este es el volumen que se le tiene que adicionar de la solución de HCl 0.43 M para obtener 500 ml de solución amortiguadora pH10.

RESULTADOS.  Preparación de Disoluciones Hidróxido de sodio (NaOH) 0.10 M. Datos

Fórmulas

Cálculos

M=0.1 mol/L

M=n/V

n=MxV, n=(0.1mol/L)(0.25L)

PM=40 g/mol

n=m/PM

m=n x PM, m=(0.025mol)(40 g/mol)

n= 0.025 mol m= 1 g

>Se pesó 1g de sosa cáustica, se disolvió y se aforo a 250 ml. Ácido clorhídrico (HCl) 0.10 M Datos

Fórmulas

M=0.1 mol/L PM=36.5 g/mol

Cálculos

M=n/V n=m/PM

Densidad= 1.18 g/ml

n=MxV, n=(0.1mol/L)(0.1L) m=n x PM, m=(0.01mol)(36.5g/mol)

1.18 g

n= 0.01 mol m=0.355g

1ml

0.355g

× = 0.3 ml.

Como el ácido clorhídrico tiene una pureza del 36% necesito saber qué volumen en realidad debo medir del botellón del laboratorio para tener la concentración deseada. 36g HCl puro 0.355 g

100 ml de mezcla × = 0.98 ml

> Medimos 0.98 ml del acido clorhídrico al 36% y lo aforamos a 100 ml. Cloruro de Sodio (NaCl) 0.10 M Datos

Fórmulas

M= 0.1 mol/L

M=n/V

PM= 58.5 g/mol

n= m/PM

Cálculos n= MxV, n=(0.1 mol/L)(0.1 L)

n=0.01 mol

m=nxPM, m=(0.01mol)(58.5 g/mol)

m= 0.582 g

> Se pesaron 0.582 g de cloruro de sodio, se disolvieron y se aforaron a 100ml. Disolución Amortiguadora Esta disolución se preparó de acuerdo al manual, es decir, se pesaron 5.248 g del acetato de sodio se disolvió en 50 ml de agua para adicionarle 2.1 ml de acido acético. Y se llevó a un pH de 5.  Evaluación de la solución NaCl.

Tabla 1.1. En la siguiente tabla se presenta la valorización de la solución de cloruro de sodio por medio de hidróxido de sodio, se expresa el volumen utilizado para cambiar el pH inicial de la solución en una unidad. El experimento se hizo por triplicado.

Muestra (NaCl)

A

B

C

pH inicial

5.33

5.3 1

5.9 0

Vol. (ml) de NaOH adicionados.

0.2

0.1

0.0 1

Promedio del pH inicial= 5.51 Promedio del volumen añadido= 0.103 ml Cálculo de la capacidad amortiguadora de esta solución El cloruro de sodio no tiene capacidad amortiguadora, porque es una sal neutra. No se le considera ni un poco de capacidad amortiguadora.  Evaluación de la capacidad amortiguadora de la solución a pH 5. Tabla 1.2. En la siguiente tabla se muestra el volumen adicionado de hidróxido de sodio a las tres muestras hechas de la solución amortiguadora pH 5 para cambiar el valor de éste en una unidad, es decir, obtener un pH de 6. Muestra (sol. A pH 5) Vol. (ml) de 65 NaOH adicionados •

B

C

59. 5

59. 2

Promedio del volumen adicionado a la solución para subir su pH en una unidad = 61.23 ml.

Cálculo de la capacidad amortiguadora de esta solución Para obtener el cálculo de la capacidad amortiguadora de la solución ácido ascéticoacetato de sodio se utilizó la siguiente fórmula obtenida del manual de química analítica. (2) Donde Ca es la concentración del ácido y Cb es la concentración de su base conjugada.

>Para conocer las concentraciones presentes en ésta solución se recurre a la fórmula de Henderson-Hasselbach, es decir, con ésta formula conoceremos la proporción a la cual debe de estar el ácido y la base. (2) pH= pka + log [Base] / [Ácido] Sabiendo que la pka del ácido acético es de 4.75, y el pH de la disolución es de 5, se sustituye: 5.00= 4.75 + log [CH3COONa] / [CH3COOH] , 0.25=log [CH3COONa] / [CH3COOH] Antilog 0.25= [CH3COONa] / [CH3COOH] , 1.778 = [CH3COONa] / [CH3COOH] > Se despeja la concentración de acetato de sodio, y se sustituye en la expresión que nos dan como condición desde un inicio: [CH3COONa] + [CH3COOH] = 1. [CH3COONa] = 1.778 [CH3COOH]

1.778 [CH3COOH] + [CH3COOH] = 1.

Por lo tanto: [CH3COOH] = 0.36 M y [CH3COONa] = 0.64 M Estas son las concentraciones que deben de tener las soluciones del ácido y la base para poder formar la disolución amortiguadora de pH 5. Como ya tenemos los datos sustituimos en la fórmula inicial para conocer la cpacidad amortiguadora de la solución: B= 2.3 (0.36 M)(0.64 M)

B = 2.53

(0.36 + 0.64)

DISCUSIÓN A partir de los resultados se observa la importancia de las soluciones amortiguadoras y como no es posible que todas las soluciones pudieran tener la misma capacidad de mantener un pH, de lo contrario todas podrían ser buffer, este fue el objetivo de l práctica, comprobar si el cloruro de sodio podía tener esta capacidad amortiguadora, su punto de comparación fue la solución acido acético-acetato de sodio, que es un excelente amortiguadora, y esto basta con obserrvar un poco el volumen que tuvo que añadirsele para que pudiera cambiar su pH en una unidad, es decir, se le agregaron 61.23 ml en promedio de hidroxido de sodio para que pudiera norase el cambio, y en econtraste a la solucioón de cloruro de sodio se le agregó sólo una gota, suficiente para que su pH subiera en mas de cinco unidades. Fue este esperimento es que hizo corroborar que el cloruro de sodio tiene una capacidad nula de amortiguamiento, y esto puede explicarse químicamente, pues hablmos de una sal neutra, incapz de poder retener un proton o un hidroxilo que se le agregue al medio…

CONCLUSIÓN

BIBLIOGRAFÍA

(1) Day R.A., Underwood A. L., Quimica analitica cuantitativa., Ed. Prentice Hall, 5° edición, México DF. 1989. págs. 188,189 y 190. (2) Vega E., Verde R. y Pérez Ma. Del C. La teoría y la práctica en el laboratorio de química analítica I., Ed. UAM, México DF. 2004. (3) http://quimicaisfd95.wikispaces.com/file/view/soluciones-buffer3729.pdf Fecha de consulta: 08 de marzo del 2010. (4) http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r55272.PDF Fecha de consulta: 08 de marzo del 2010.