Para preparar una solución amortiguadora se tiene en cuenta el pH al que se necesita. En el caso de las enzimas, el amortiguador se usa al pH de la máxima actividad enzimática. Para garantizar que el pH se mantenga y que pequeños cambios en la concentración de H+ o OH- (liberados en las reacciones químicas o enzimáticas) no afecten el pH, se usan amortiguadores con un pKa cercano al pH de la máxima actividad de la enzima. Además del pKa es necesario tener en cuenta que el amortiguador no sea toxico en la reacción, que sea estable y que se disuelva en agua fácilmente.
Para preparar un amortiguador siempre se necesita la sustancia amortiguadora en forma de sal y su respectivo ácido o base débil (conjugada); o dos sales que al disociarse generen el sistema amortiguador.
Hay varias formas para preparar una solución amortiguadora:
1 Se pesan las dos sales por separado y se disuelven en agua
2 Se pesan la base y ácido por separado para formar la sal se disuelve en agua y luego se adiciona un ácido o una base fuerte.
Ejemplo de los dos métodos para preparar soluciones amortiguadoras,
1 Problema; preparar 1L de 0,5mol/l amortiguador fosfato pH7,5
a) Determinar el componente principal del sistema amortiguador, esto no es problema con un acido monoproteico (ácido acético CH3COOH), sin embargo con los sistemas diproticos (H2PO4-) o poliproticos (H3PO4) el somponente cambia dependiendo del ph deseado.
En éste caso el sistema será H2PO4-/HPO4-2 porque su pKa es de 7,21. El sistema H3PO4/H2PO4- tiene un pKa de 2,12 y el sistema HPO4-2/PO4-3 tiene un pKa de 12,3; estos valores son muy altos o muy bajos para el amortiguador que deseamos preparar (pH 7,5) y ninguno de los dos será un buen amortiguador a pH 7,5.
b) después de definir los componentes se escribe la ecuación de equilibrio y se identifica el par de ácido o base conjugado:
H2PO4- <-------> HPO4-2 + H+ pKa 7,21
c) se calcula la proporción deseada de ácido y base a partir de la ecuación de Henderson-Hasselbalch
pH = pKa + log [HPO4-2] – log [H2PO4-]
log [H2PO4-] - log [HPO4-2] = 7,21 – 7,5
-1 (log [H2PO4-] - log [HPO4-2]) = -1 ( 7,21 – 7,5)
log [HPO4-2] - log [H2PO4-] = 7,5-7,21
log [HPO4-2] - log [H2PO4-] = 0,29
[HPO4-2] / [H2PO4-] = 10^0,29 (antilogaritmo)
[HPO4-2] / [H2PO4-] = 1,95
Esto significa 1,95 partes de [HPO4-2] por 1 parte de [H2PO4-], osea un total de una parte de 2,95. Con este total (2,95) se puede calcular el porcentaje de cada compuesto:
% HPO4-2 = (1,95 / 2,95) x 100 = 66.2%
%H2PO4- = (1 / 2,95) x 100 = 33,8%
d) Calcular cuánto se pesa de cada uno en forma de sal para obtener las soluciones de K2HPO4 y de KH2PO4. Estas sales en solución se ionizan completamente y darán los dos componentes del amortiguador.
Necesitamos el 66,2% de 1 mol de K2HPO4 y 33,8% de 1 mol de %KH2PO4 para 1 L, entonces:
(66,2% x 1 mol) / 100% = 0,662 mol de K2HPO4 y (33,8% x 1 mol ) / 100% = 0,338 mol de KH2PO4. Como las soluciones deben tener 0,5 mol/L (mirar enunciado), entonces:
(0,662 mol x 0,5 L) / 1L = 0,331 mol de K2HPO4 en 0,5L de agua y,
(0,338 mol x 0,5 L ) / 1L = 0,169 mol de KH2PO4 en 0,5L de agua
Para saber cuánto en gramos es:
(0,331 mol x 174,2g/mol) / 1 mol = 57,7g de K2HPO4
(0,169 mol x 136,1 g/mol) 1mol = 23g de KH2PO4
e) Para preparar el amortiguador, pesar 23 g de KH2PO4 y 57,7g de K2HPO4 y disolver hasta mas o menos 750ml de agua destilada. Comprobar el pH con un potenciómetro y ajustar con ácido o base si es necesario, finalmente completar hasta 1L con agua destilada.
2) Segunda forma de preparar el amortiguador:
Esta es la forma del enunciado del parcial.
Tenga en cuenta que en el enunciado anterior se dice 0,5 mol/l del amortiguador fosfato, no 0,5 mol/l de la sal fosfato de potasio, la concentración se refiere al sistema fosfato. Si el enunciado dice preparar un amortiguador 0,1mol/l de acetato de potasio, esta concentración se está refiriendo a la concentración de la sal y necesita determinar los componentes de la sal, en este caso es el ácido acético y el hidróxido de potasio.
Realice los cálculos para obtener 200ml de acetato de potasio 100 mmol/l pH5 a partir de soluciones madre 1mol/l de ácido acético y 1mol/l de hidróxido de potasio. Pka del ácido acético 4,76
a) Escribir la ecuación de la mezcla de las dos soluciones para obtener la sal, se necesita una sal de 0,1mol:
0,1mol CH3COOH + 0.1mol KOH <--------> 0,1mol CH3COOK + H2O
0,1mol CH3COOK <------> 0,1mol CH3COO- + 0.1mol K+
b) Ya sabe la concentración del ion acetate, ahora necesita la concentración del ácido acético, para hallarla utiliza la ecuacion de Henderson-Hasselbalch:
pH = pKa + log [CH3COO-] - log [CH3COOH]
log [CH3COOH] = pKa – pH + log [CH3COO-]
log [CH3COOH] = 4,76 – 5 + log 0,1
log [CH3COOH] = -1,24
[CH3COOH] = 10^-124 (antilogaritmo)
[CH3COOH] = 0,057 mol/l
c) Ya sabe la concentración de los componentes que forman la sal y la cantidad de ácido acético de más para obtener el amortiguador acetato de potasio 0,1mol/l pH 5. Necesita hacer los cálculos para saber cuánto tomar de las soluciones madres:
V1 = (200ml x 01,mol/l ) / 1mol/l KOH = 20ml de de 1mol/l KOH
V1= (200ml x 01,mol/l ) / 1mol/l CH3COOH = 20ml de de 1mol/l CH3COOH
V1 = (200ml x 0,057 mol/l) 1mol/l CH3COOH = 11,4ml de 1mol/l CH3COOH
Entonces;
Mezclar 20 ml de 1mol/l KOH con 31,4ml de CH3COOH llevar hasta 180ml con agua destilada, verificar el pH (si es necesario cuadrar con KOH o CH3COO), posteriormente llevar hasta 200ml con agua destilada .
La sal se formara a partes iguales del ácido y la base y el ácido restante hará parte de la amortiguación a pH 5.
Bibliografía:
Bohinski Robert. 1987. Modern Concepts in Biochemistry. Chapter 2: Noncovalent bonding and pH buffering. Fifth Edition. Woodstock Publishers' Services. USA.