Preparación de soluciones tampón: soluciones, cálculo y resolución de problemas frecuentes

Por qué la exactitud del pesaje es vital para obtener soluciones tampón de calidad

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Preparación de soluciones tampón: soluciones, cálculo y resolución de problemas frecuentes

Buffer Preparation

Preparación de soluciones tampón: procedimiento de formulación
  1. Seleccionar una receta de la base de datos
  2. Recalcular las cantidades de las recetas conforme al volumen de solución tampón necesario
  3. Pesar compuestos en el recipiente
  4. Disolver los compuestos en un disolvente adecuado (normalmente, agua)
  5. Comprobar y ajustar el valor del pH mediante un pHmetro
  6. Llenar la solución hasta el volumen necesario
  7. Transferir a una botella de almacenamiento y etiquetar
  8. Documentar los resultados

¿Cómo funcionan las soluciones tampón?

Las soluciones tampón son sistemas acuosos que resisten a los cambios en el pH cuando se les añaden pequeñas cantidades de ácido o base, y constan de un ácido débil y su base conjugada. Una solución tampón mantiene el pH de una solución constante absorbiendo los protones que se liberan durante las reacciones o liberando protones cuando las reacciones los consumen. El descubrimiento de que las soluciones parcialmente neutralizadas de ácidos o bases débiles son resistentes a los cambios en el pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácidos o bases fuertes fue lo que llevó al concepto de “solución tampón”.
 

Una base conjugada es un ácido que ha perdido un protón.
HA  ↔  H+ + A
Ácido  ↔  protón + base conjugada
 

Un ácido conjugado es una base que ha conseguido un protón.
A + H+  ↔  H+A
Base + protón  ↔  ácido conjugado
 

Se establece un equilibrio entre la forma disociada y la indisociada.
Por ejemplo, un ácido acético débil se disocia parcialmente en agua produciendo un ion de acetato:
CH3COOH  ↔  H+ + CH3COO
El ácido acético indisociado, los iones de hidrógeno y el ion disociado existen en equilibrio en la solución.
 

El acetato sódico también se disocia en agua para producir el mismo ion de acetato:
CH3COONa  ↔  Na+ + CH3COO
El acetato sódico indisociado y los iones de sodio y acetato existen en equilibrio en la solución.
 

Por lo tanto, una solución acuosa de una mezcla de ácido acético y acetato sódico puede absorber iones de H+ a partir de la adición de un ácido mediante la combinación de los iones de hidrógeno con la base de acetato para producir ácido acético. Además, cuando los iones de OH se introducen en la solución mediante la adición de un alcalino, se combinan con moléculas de ácido (H+) para producir agua. De este modo, a media que el sistema trata de restaurar el equilibrio, la solución resiste a los cambios en el valor del pH. Así es como funciona una solución tampón.
 

¿Qué sucede después de añadir ácido a la solución tampón?

Cuando se añade un poco de ácido fuerte (más H+) a una mezcla en equilibrio del ácido débil y su base conjugada, el equilibrio se pasa a la izquierda, de conformidad con el principio de Le Chatelier.
 

¿Qué sucede después de añadir una base a la solución tampón?

Del mismo modo, si se añade una base fuerte a la mezcla, la concentración de iones de hidrógeno se reduce a un número inferior al esperado para la cantidad de base añadida. Esto se debe a que la reacción pasa a la derecha para adaptarse a la pérdida de H+ en la reacción con la base.

Buffer Preparation Formula

Tipos de soluciones tampón

A las soluciones tampón que constan de un ácido débil y su base conjugada se las denomina “soluciones tampón acídicas” y tienen un pH inferior a 7. Una solución tampón compuesta de ácido acético (ácido débil) y acetato sódico (base conjugada) es una solución tampón acídica y tiene un pH que ronda el 4,75.
A las soluciones tampón que constan de una base débil y su ácido conjugado se las denomina “soluciones tampón alcalinas” y tienen un pH superior a 7. Un ejemplo de solución tampón alcalina es una solución acuosa de hidróxido de amonio (base débil) y cloruro amónico (ácido conjugado) con un pH de 9,25.
 

Qué hay que tener en cuenta a la hora de preparar una solución tampón

Las soluciones tampón funcionan mejor cuando su pH se asemeja al del sistema o la solución que se está investigando. En el estudio de las enzimas de la biología humana, hace falta un sistema que coincida con el pH de la sangre (es decir, entre 7,35 y 7,45); de lo contrario, las enzimas no funcionarán correctamente. Si el sistema tampón tiene un pH fuera del rango deseado, esto también repercutirá negativamente sobre los análisis.
 

Por lo tanto, es imprescindible tener la capacidad de preparar las soluciones tampón de un pH específico, lo cual se puede hacer de diversas formas:

  • Ajustando el pH
    En primer lugar, el ácido o la base cristalina se disuelven en un volumen de agua que equivale a alrededor del 60–70 % del volumen final requerido de solución tampón. El pH se prueba y luego se ajusta. Si se usa un ácido cristalino, el pH se ajusta empleando una base que no generará iones que podrían interferir en el sistema que se está investigando. Si se usa una base cristalina, el pH se ajusta usando un ácido adecuado. En cuanto se alcanza el pH deseado, el volumen de la solución tampón se puede llenar con agua para obtener el volumen necesario.

  • Mezclando soluciones ácidas y básicas
    En este método, una solución ácida o básica se mezcla con una solución de la sal asociada. Las concentraciones de las soluciones de partida deben ser las mismas que las de la solución tampón necesaria. Las soluciones se pueden mezclar en proporciones variables para lograr valores de pH distintos en la solución tampón final. Una alternativa es controlar el pH mientras se añade una solución a la otra.

  • Usando la ecuación de Henderson-Hasselbach
    La ecuación de Henderson-Hasselbach puede servir para calcular aproximadamente el pH de una solución tampón usando la constante de disociación, pKa. Cuando en la solución hay un ácido débil (HA) y la disociación en iones de hidrógeno (H+) y su base conjugada (A) está en equilibrio, la constante de disociación es una medición de la concentración del ácido en este punto de equilibrio. La ecuación de Henderson-Hasselbach es como se indica a continuación: 
  • Buffer Preparation - second formula

    Donde: “pKa” es la constante de disociación del ácido débil
    [A-] es la concentración de la base conjugada en equilibrio
    [HA] es la concentración del ácido en equilibrio

    En el caso en el que la concentración en equilibrio de la base conjugada y el ácido son idénticas, el pH equivale a la constante de disociación. Llegados a este punto, la solución tampón aporta la máxima capacidad de amortiguación.
    La ecuación de Henderson-Hasselbach también se usa para determinar la constante de disociación de los ácidos débiles midiendo directamente el pH.
     

Ventajas de las soluciones tampón universales
Las soluciones tampón universales constan de una combinación de varios pares de ácidos y bases, lo que permite a las soluciones tampón universales mantener el valor del pH de un abanico más amplio de soluciones y, por lo tanto, se puede usar en muchas más aplicaciones.

Consejos adicionales para la preparación y el uso de soluciones tampón
 

  • Crear un PNT de preparación de soluciones tampón
    Es recomendable documentar el proceso de preparación de la solución tampón y asegurarse de que todo el mundo siga el mismo procedimiento para asegurar la uniformidad y la reproducibilidad. El PNT debería incluir los detalles de los materiales empleados y los pasos precisos relativos al cuándo y al cómo añadir los componentes y medir el pH. El PNT también podría incluir muchos de los puntos mencionados a continuación.
     
  • Llevar equipos de protección
    Hay que llevar equipos de protección personal (EPP) adecuados (por ejemplo, gafas y ropa de protección), sobre todo a la hora de trabajar con ácidos o bases fuertes.
     
  • Inspeccionar en busca de contaminación microbiana (sobre todo en aplicaciones biológicas)
    Antes de usar ninguna solución tampón, hay que comprobar que en el contenedor no haya contaminación microbiana. Las soluciones tampón con un pH casi neutro son particularmente susceptibles a la contaminación. Podría apreciar algo de enturbiamiento en la solución o la acumulación de contaminantes en el fondo.
     
  • Usar el pHmetro correctamente
    El pHmetro debería someterse periódicamente a calibración y mantenimiento para asegurar la exactitud de las mediciones de pH. El electrodo se debería preparar como es debido antes de su uso y se debería usar una cantidad suficiente de solución tampón para asegurar que esa unión de electrodos se sumerja correctamente. Asegúrese de esperar a obtener un valor de pH estable antes de tomar la lectura y de limpiar el electrodo con agua destilada después. Asegúrese de usar el pHmetro a temperatura ambiente o de usar un electrodo con sensor de temperatura integrado.
     
  • Tener en cuenta la temperatura
    La cantidad de disociación puede variar con la temperatura. Por lo tanto, la solución tampón tendría que prepararse a la misma temperatura a la que efectuará los análisis. Asimismo, asegúrese de que la temperatura a la que calibre el electrodo sea la misma que la temperatura a la que realice la medición.
     
  • Tener en cuenta la concentración
    Diluir las soluciones tampón de reserva a la concentración que hay que usar en los análisis es una práctica habitual. No obstante, si cambia la concentración, la cantidad de disociación podría verse afectada. Dado que el pH es una medición de la concentración de iones de hidrógeno (H+), un cambio en la disociación puede ocasionar un cambio en el pH. Tras la dilución, convendría volver a comprobar el pH antes de usar la solución tampón.

Experto en preparación de soluciones tampón

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Preguntas frecuentes: preparación de soluciones tampón


 

1. ¿Cómo puedo hacer que el pesaje para la preparación de soluciones tampón sea más eficaz?

 

Con las balanzas XPR/XSR de METTLER TOLEDO, puede guardar sus propios métodos de pesaje específicos. En el caso de la preparación de soluciones tampón, esto se logra usando el método “Formulación simple con plantillas” de la balanza para almacenar cada componente de la solución tampón, con su peso e intervalo de tolerancias objetivo, en forma de receta en la balanza. Al iniciar el método, se le guía por cada paso del procedimiento. No se desperdicia tiempo consultando un recetario ni hay ninguna incertidumbre sobre la fase del procedimiento en la que está. Los resultados de pesaje se guardan automáticamente y se pueden imprimir al final para que pueda ahorrar una cantidad de tiempo considerable eliminando a mano la necesidad de registrar todos los resultados de pesaje.


 

2. ¿Cuál es la mejor balanza para la preparación de soluciones tampón?

La mejor balanza depende de los requisitos individuales. Necesita saber cuáles son las cantidades máximas y mínimas que desea pesar, así como la exactitud con la que necesita pesarlas (es decir, cuál es la tolerancia o el error admisible). METTLER TOLEDO ofrece un servicio gratuito que le ayuda a escoger la balanza adecuada para que pueda cumplir los requisitos de su aplicación. Basta con preguntar a su representante local para obtener una recomendación gratuita de balanzas. Ese mismo servicio también determina si la balanza actual cumple sus requisitos.


 

3. Durante la preparación de la solución tampón, hay muchísimos datos que registrar. ¿Cómo puedo evitar los errores? Necesito una solución que carezca de errores.

En primer lugar, debe conectar un lector de códigos de barras a la balanza. Esto le permitirá registrar electrónicamente los ID de muestra, los números de lote y de referencia, etc. En segundo lugar, debe conectar una impresora a la balanza. Con la línea de impresoras P-5x de METTLER TOLEDO, los metadatos y la fecha y hora se pueden imprimir automáticamente junto con los resultados al final del procedimiento de pesaje. Una opción alternativa consiste en conectar la balanza al software de laboratorio LabX, que le ofrece una gestión integral de los datos, incluidos informes personalizables que se pueden enviar directamente a su LIMS o ERP.


 

4. ¿Cómo asegurarme de que la lectura del pH de mi solución tampón es adecuada?

Es necesario calibrar de forma periódica y revisar de manera sistemática el pHmetro para tener una certeza segura sobre su exactitud. Consulte la guía e infórmese sobre la solución de METTER TOLEDO para calibrar con facilidad un pHmetro. Consulte también este vídeo: Calibración del pH: una práctica guía del procedimiento.


 

5. ¿Y si añado más de un ingrediente de lo necesario?

Si pesa accidentalmente una cantidad excesiva de un ingrediente, se pueden añadir más cantidades del otro en vez de descartar los materiales pesados hasta ese punto. Si calcula las cantidades manualmente, esto puede resultar complejo y el riesgo de errores es muy elevado. Además, debe ser consciente de que las cantidades adicionales necesarias podrían ser muy reducidas y su balanza podría no ser adecuada para ello. Podría necesitar una segunda balanza un mayor grado de exactitud y un menor peso mínimo. Si la balanza está conectada a LabX, LabX puede efectuar los recálculos posteriores necesarios por usted y hacer un seguimiento de su progreso en el procedimiento.