MÉTODOS POTENCIOMÉTRICOS PARA ANALIZAR CLORURO EN ORINA HUMANA Y SUERO FISIOLÓGICO. Juan Camilo Calvo, Juan Felipe Vélez Departamento Departamento de Química, Química, Facultad de Ciencias, Universidad Universidad del Valle, Agosto de 2011
Resumen En esta práctica se realizaron dos métodos por los cuales podemos cuantificar cloruros en una muestra, en este caso la orina y suero fisiológico, métodos denominados denominados “potenciométricos” “potenciométricos” donde se mide una diferencia de potencial generado cuando se adiciona un agente titulante, nitrato de plata (AgNO 3), en la solución que contenía el cloruro. Para ello se utilizaron instrumentos como electrodos de referencia (Ag/AgCl), electrodo indicad indicador or (Ag) (Ag) y un electrodo electrodo de ión selectivo. selectivo. Para el método método potenciomé potenciométrico trico que se usó el electrodo electrodo indicad indicador or (Ag). La concent concentració ración n hallada hallada de cloruro cloruro en la muestra de orina orina fueron de 179ppm 179ppm y para el método con el electrodo de ión selectivo la concentración de cloruro en la muestra de orina fue de 316,6ppm y para el suero fue de 390,9ppm dando un mejor resultado con el método directo (ión selectivo) ya que se acercó mucho más al valor promedio de la orina humana (500 mg/L) [4]. Palabras Claves: Potenciometría; Electrodo; Potencial; Celda; Cloruros.
1. Introducción La detección del punto equivalente en un método analític analítico o debe debe ser rápido, preciso y simple. simple. Para Para ello se emplean sustancias llamadas indicadores, que se añaden en pequeña cantidad a la disolución que que va a valo valora rars rse e y que, que, por por inte interc rcam ambi bio o de alguna alguna partícu partícula la específica específica,, permite permite la detecció detección n del punto equivalente. En el caso caso especí específic fico o de una valor valorac ación ión ácido ácido-base base,, la partí partícul cula a espec específi ífica ca que se mencio mencionó nó ante antes s es el H+. H+. Por Por lo tant tanto, o, esta estas s sust sustan anci cias as indicadoras son sensibles al H+, de manera que por ganancia o pérdida del mismo se transforman en otra sustancia que posee un color diferente de la de partida. Este cambio de color determinará el punto final de la valoración. La aparición de técnicas instrumentales de análisis permitió incorporar nuevas formas de detección del punto punto equivale equivalente, nte, que son más exactas exactas que las que utilizan sustancias indicadoras. indicadoras. Esta Estas s técn técnic icas as dete determ rmin inan an algu alguna na prop propie ieda dad d fisicoqu fisicoquímic ímica a asociada asociada a alguna alguna especie especie química química de inte interé rés s para para la dete determ rmin inac ació ión n que que se está está realizan realizando. do. Para el caso caso de una reacción reacción ácidobase base,, se util utiliz iza a el pote potenc ncia iall eléc eléctr tric ico o como como propiedad fisicoquímica a medir. El objet objetivo ivo de una medici medición ón poten potencio ciomét métric rica a es obtener información acerca de la composición de una una soluc olució ión n media ediant nte e la dete determ rmin inac ació ión n del del
potencial que se genera entre dos electrodos. Para obtene ener medic dicion iones analíti lítica cas s válida idas en potenciometría, uno de los electrodos deberá ser de poten potencia ciall consta constante nte y que no sufra sufra camb cambios ios entre entre uno uno y otro otro experi experimen mento to.. El electr electrodo odo que que cumple esta condición se conoce como electrodo de referencia. Debido a la estabilidad del electrodo de referencia, cualquier cambio en el potencial del siste istema ma se deb deberá erá a la cont contri ribu buci ción ón del del otro otro elec electr trod odo, o, llam llamad ado o Elec Electr trod odo o Indi Indica cado dor. r. Los Los métod métodos os poten potencio ciomét métric ricos os están están basa basados dos en la medid medida a de la difere diferenc ncia ia de poten potencia ciall entre entre dos dos elec electr trod odos os intr introd oduc ucid idos os en una una solu soluci ción ón.. Los Los elec electr trod odos os y la solu soluci ción ón cons consti titu tuye yen n lo que que se conoce con el nombre de celda electroquímica . El potencial entre ambos electrodos es normalmente medido con la ayuda de un equipo conoc onocid ido o como poten tencióm iómetro etro.. Uno de los los electrodos involucrado en el proceso se denomina indicador, el cual tiene una respuesta respecto de una especie particular presente en el seno de la solu soluci ción ón y cuya cuya acti activi vida dad d se mide mide dura durant nte e el expe experi rim ment ento y el otro rec recibe ibe el nomb ombre de referencia, cuya característica más importante es que el potenci potencial al de semicelda semicelda de este electrod electrodo o permanece siempre constante. El potencial de una celda electroquímica, electroquímica, viene dado por:
ECelda = Eind −Eref +Eμl electroquímica. Ecel potencial de la celda electroquímica. Eind potencial de semicelda del electrodo indicador (función de la actividad de la especie).
Eref potencial de semicelda del electrodo de referencia (constante y conocido). Eμl potencial de unión líquida. Los potenciales de semicelda de la mayoría de los electrodos indicadores responden, como ya se ha comentado, a los cambios en la actividad de las especies a ser determinadas de acuerdo a la ecuación de Nernst. Así por ejemplo, un electrodo de plata introducido en una solución de iones Ag +. Ag+ + e- ↔ Ag0 La ecuación de Nernst,
En función de la concentración molar de la especie electroatractiva:
Siendo f Ag + el coeficiente de actividad y [Ag+] la concentración molar de la especie Ag+. Esta expresión de la ecuación de Nernst puede escribirse en logaritmos de base 10 y a 25 °C como:
valoraciones potenciométricas y por otro las potenciometrías directas. En breves palabras podemos decir que: Potenciometría directa es aquella en que los dos electrodos, indicador y referencia, están introducidos en una solución a analizar y cuya actividad es calculada por una lectura de potencial de la misma. La calibración del electrodo indicador es totalmente necesaria y suele realizarse con soluciones de concentración conocida. En las valoraciones potenciométricas se valora una muestra con una solución de concentración conocida de agente valorante y se realiza un seguimiento del potencial entre el electrodo indicador y el electrodo de referencia. El punto final de la valoración se observa cuando se produce un cambio brusco en el valor de ese potencial.
Valoraciones Potenciométricas Dentro de los métodos potenciométricos de análisis nos encontramos con las valoraciones potenciométricas, entendiendo por valoración potenciométrica, una valoración basada en medidas de potenciales de un electrodo indicador adecuado en función del volumen de agente valorante adicionado. Una valoración potenciométrica implica dos tipos de reacciones:
Y por tanto el potencial de la celda electroquímica en todo momento vendría expresado por:
En condiciones normales, se considera que los potenciales del sistema Ag+/Ag0, el coeficiente de actividad y el potencial del electrodo de referencia así como el potencial de unión líquida son constantes durante el experimento y por lo tanto:
Donde E0 es una constante que puede ser determinada por la calibración con disoluciones estándar. La relación lineal entre el E cel y el logaritmo de la concentración (o actividad, si el coeficiente de actividad no es constante) es la base de los métodos analíticos potenciométricos.
Tipos de Mediciones Potenciométricas: Podemos dividir en dos grandes grupos los tipos de medidas potenciométricas; por un lado las
Una reacción química clásica, base de la valoración y que tiene lugar al reaccionar el reactivo valorante añadido a la solución, o generado culombimétricamente, con la sustancia a valorar. Una o varias reacciones electroquímicas indicadoras de la actividad, concentración, de la sustancia a valorar, del reactivo o de los productos de reacción. De esta forma, el valor del potencial medido por el electrodo indicador varía a lo largo de la valoración, traduciéndose el punto de equivalencia por la aparición de un punto singular en la curva: potencial vs cantidad de reactivo añadido. La detección de este punto, punto final , puede establecerse mediante un método directo.
Método directo: consiste en graficar los datos de potencial en función del volumen de reactivo. El punto de inflexión en la parte ascendente de la curva se estima visualmente y se toma como punto final [1].
Para el método mediante un electrodo de ión selectivo de comienzo se prepararon 100 mL de una solución de 1000 ppm de Cl- y a partir de esta por dilución se prepararon 25.00 mL de soluciones con concentraciones de 750, 500, 250 y 100 ppm. Con cada una de estas soluciones se transfirieron 20 mL a vasos de 50.00 mL con la adición de 0.5 mL de NaNO3 a cada una.
2. Metodología experimental Para la determinación de cloruros en las muestras de orina y suero realizaron dos métodos: el argentométrico y el método mediante un electrodo de ión selectivo. Primeramente se realizó la preparación de cada una de estas muestras para el método argentométrico como para el método mediante el ión selectivo, tomando 2.0 mL de cada uno y transfiriéndolas a un matraz volumétrico de 50.0 mL para luego ser enrasado. En el método argentométrico se procedió con la estandarización del nitrato de plata (AgNO 3), solución titulante, al 0.1M, se preparó 50 mL y con esta solución se lleno una bureta de 25.0 mL. Luego se preparó otra solución de NaCl lo suficiente para secar 5 mL de AgNO 3, que además a esta se le adicionó 1 gota de HNO3 concentrado y 0.5 mL de NaNO3 5M. Ya con las soluciones preparadas se procedió con la toma de los potenciales, para ello se armó el sistema de titulación que consistía en el voltímetro y los dos electros, de referencia Ag/AgCl e indicador de Ag, introduciéndolos en la solución de NaCl, la toma del voltaje era cuando se estabilizara este mismo cuando se adicionaba el AgNO 3 en la solución de NaCl. Para esta toma de los potenciales se adicionaba de a 0.4 mL de la solución titulante hasta observar un cambio brusco en el voltímetro, al momento de observar este cambio se adicionaba de a 0.2 mL de la solución titulante hasta observar que el cambio del voltaje no variara tanto y, a partir de ahí se agregaban de a 0.5 mL, más o menos 3.0 mL. Por último con la muestras diluidas de orina y suero preparadas inicialmente, se tomaron 25.0 mL de cada una que se le adicionaron una gota de HNO3 concentrado y 0.5 mL de NaNO 3 5M, para luego adicionar la solución titulante y tomar los potenciales de cada adición de la misma manera como se realizó con la solución de NaCl.
Para la toma de los potenciales se preparó el voltímetro con la conexión de los electrodos, el de referencia Ag/AgCl y el del ion selectivo de cloruros, y se sumergieron en las soluciones estándares comenzando con la de menor concentración hasta la de mayor concentración lavando con agua destilada cada vez que se vaya a cambiar de solución. Para anotar el voltaje que diera el voltímetro fue necesario esperar por unos 3 min aproximadamente para que se estabilizara, para así tomar un correcto valor del potencial. Y por último se tomaron 20.00 mL de las muestras de orina y suero transfiriéndolas a vasos de 50 mL adicionándoles 0.5 mL de NaNO3 5M que luego de igual forma que con los estándares, a las muestras de les sumergieron los electrodos para tomar los respectivos potenciales, claro está esperando que el valor que arrojaba el voltímetro se estabilizara para su respectiva anotación. Los reactivos utilizados fueron NaNO3, AgNO3, HNO3 concentrado y NaCl analítico [2].
3. Resultados y Discusión Tabla 1 Estandarización AgNO 3 Potencial (V) 0,1 0,105 0,106 0,107 0,108 0,111 0,114 0,118 0,123 0,129 0,135 0,145
Volumen (mL) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3
AgNO3 Potencial (V) 0,169 0,184 0,225 0,333 0,379 0,389 0,396 0,4 0,405 0,407 0,411 0,159
Volumen (mL) 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6 6,2 6,4 6,6 6,8 7 4,8
AgNO3
Grafica 1. Estandarización AgNO 3
Para garantizar el punto final se saco la primera derivada. Tabla 1.1. curva de la primera derivada. ∆E∕∆V (V∕mL) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8 4.3
Volumen AgNO3 (mL) 0.025 0.005 0.005 0.005 0.006 0.006 0.008 0.01 0.012 0.012 0.02
∆E∕∆V (V∕mL) 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8
Volumen AgNO3 (mL) 0.028 0.05 0.075 0.205 0.54 0.23 0.05 0.035 0.02 0.025 0.01
Grafica 1.1. Curva de la primera derivada.
Tabla 2. Determinación de cloruros (método argentometrico), orina. Potencial (V) 0,143 0,159 0,183 0,37 0,394 0,407 0,415 0,423 0,427 0,434 0,437 0,436 0,426
Volumen AgNO3 (mL) 0 0,5 1 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,9 3,3 3,7 4,1
Grafica 2. Determinación de cloruros (método argentometrico), orina.
Para garantizar el punto final se saco la primera derivada. Tabla 2.1. curva de la primera derivada. ∆E∕∆V (V∕mL) 0.032 0.048 0.374 0.12 0.065 0.04 0.04 0.02 0.0175 0.0075
Volumen AgNO3 (mL) 0.5 1 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.9 3.3
Grafica 2.1. Curva de la primera derivada.
Tabla 3. Curva de calibracion Potencial (mV) 0.000386 0.000376 0.000367 0.000356
Log concentración(p pm) 2 2.398 2.699 2.875
Grafica 3. Curva de calibración
La ecuación de linealización de la curva es:
Donde X es: log [Cl -] 1. Muestra de orina
2. Muestra suero
Tabla 4. Curva de calibración.
Potencial (mV) 3860 3760 3670 3560
concentración(p pm) 100 250 500 750
Grafica 4. Curva de calibración. Potencial vs concentración
DISCUSÍON Al analizar los resultados obtenidos y teniendo como referencia las graficas 1.1, 2.1 y 3 se puede decir que el método argentométrico como el método de ion selectivo fueron efectivos, la razón para afirmar esto se debe a que con el método argentométrico cada uno de los procesos genero el punto de equivalencia de manera visible, pero para conocerlo con una mayor exactitud se saco la primera derivada de los datos, la teoría dice, las medidas basadas en el volumen del valorante producen un cambio rápido del potencial cerca del punto de equivalencia [4], además la detección del punto final se basa en el supuesto de que la curva de valoración es simétrica en torno al punto de equivalencia y que la inflexión en la curva corresponde a ese punto. Este supuesto es válido si el valorante y analíto reacción en proporción 1:1 y la reacción del electrodo es reversible; lo cual concuerda perfectamente con nuestros datos. Sin embargo el proceso requiere que el valorante del cual se dispone tenga una concentración conocida y exacta, para garantizar esto se realizo la estandarización del valorante (AgNO3) con una solución de NaCl dando una concentración de
0.084M, realizándole un método argentométrico obteniendo un punto de equivalencia como lo muestra la grafica 1.1 , a partir de estas graficas se encontró el volumen de AgNO3 en el punto de equivalencia y con éste se encontró la concentración del mismo; al adicionar el agente valorante a la solución de NaCl ocurre una reacción de precipitación [3], donde se presenciaba como de un incoloridad de la solución de NaCl viraba al adicionar el valorante a una tonalidad turbia con un precipitado (AgCl) en el fondo del vaso donde se llevaba a cabo esta reacción (ver imagen 1). La siguiente ecuación describe la reacción: AgNO3 + NaCl → NaNO3 + AgCl ↓
Imagen1. Precipitación de AgCl. Al confirmar que la concentración del AgNO 3 con el que se trabajo era la debida se procedió a determinar la concentración de las muestras de orina y suero de la misma manera como se efectuó la estandarización del AgNO3 pero con la diferencia que ya no era NaCl sino la debida muestra diluida, y de igual manera la realización de los cálculos necesarios para determinar la concentración de cloruros en la orina obteniendo una concentración de 0,00504M lo que equivale a 179mg/L, lo que indica una baja concentración de cloruros en la orina pues, las excretas humanas y en general las de todos los organismos superiores, (la orina principalmente), poseen una concentración de cloruros que es aproximadamente igual a la que se ingiere en los alimentos; si se supone que cada persona consume en promedio 2,5 gramos de ión cloruro, por día, (g/persona/día), y que cada persona ingiere aproximadamente 5 litros de agua por día, entonces la concentración de cloruros en la orina vendría a ser del orden de los 500 mg/L [4],cuando se realizó la medición a la muestra de suero no fue posible encontrar los potenciales con los volúmenes adecuados, ya que se presentó una inconsistencia en la medición pues el potencial nunca se estabilizó para realizar la medición, una deducción a cerca del porqué fue que la solución preparada de suero no estaba realmente a la concentración adecuada o por el deterioro del electrodo.
Con el método de ión selectivo se realizó una curva de calibración (grafica 3) y con esta fue posible encontrar la concentración de cloruro en la orina (316,6 ppm) y en el suero (390,9ppm), los cuales son datos confiables pues estos quedaron dentro de la curva. Si comparamos estos datos con el hecho de que la concentración de cloruros en la orina es de 500mg/L, se puede decir que este método es mucho más eficiente que el argentométrico pues las concentraciones fueron mucho más cercanas a este valor de referencia, ya que la muestra se analizó directamente sin necesidad de adición de otra sustancia como en el argentométrico.
muy cercanos al del AgCl cooprecipiten con el ion Cl-, ya que el NaNO 3 arrojando resultados más altos que los reales [5].
3. suponiendo que el resultado obtenido en la determinación de cloruro en orina es el valor promedio de una muestra de 24 horas, estime cuantos miligramos de ion cloruro se excretan por día, si el volumen medio de orina diario es de 1500mL.comparar este valor con el consumo de cloruro de sodio recomendado en las dietas. El resultado obtenido en la determinación de cloruros fue de 179mg/L, si se supone que es el valor promedio de una muestra de 24 horas en 1500mL se estimaría una cantidad de mg igual a:
Entonces por día se excretaría 269mg de ion cloruro. Si se compara este valor con el del consumo de cloruro de sodio recomendado seria: La organización mundial de la salud recomiendan no ingerir más de 6 gramos por día, lo que equivale a 6000mg diarios, es decir que la cantidad de ion cloruro que se elimina diariamente en la orina es muy baja [6].
4. ¿Qué interferencias se podrían presentar en las determinaciones mediante el uso de ion selectivo? Si en la muestra hay presentes iones que afecten al electrodo selectivo, este responderá tanto a los iones de interés como a los interferentes. Por lo tanto es necesario garantizar que no hay especies interferentes antes de iniciar un análisis. Si la especie a medir no está libre, es decir esta en lazada a otras especies o absorbida, no puede ser medida. En estos casos es necesario tratar previamente la muestra con tal de que el ion a medir se encuentre en forma libre [7].
1. ¿Cuál es el propósito del NaNO 3?
5. Los electrodos indicadores metálicos se clasifican en electrodos de primera especie, de segunda especie, de tercera especie y electrodos redox; establezca las principales diferencias entre estos cuatro tipos de electrodos metálicos.
Evita que otras especies en la solución que precipitan con el Nitrato de plata y que tienen Kps
Los electrodos metálicos de primera clase están en equilibrio directo con el catión que deriva del
3.1 Solución de Preguntas
electrodo metálico. En este caso interviene una única reacción. Los de segunda clase con frecuencia se puede conseguir que un metal responda a la actividad de un anión con el que forma un precipitado o un ion complejo estable. Se puede hacer, en ciertas circunstancias, que un electrodo metálico responda a un catión diferente; entonces se convierte en un electrodo de tercera clase. Por último los electrodos construidos con platino, oro y paladio u otros metales inertes sirven frecuentemente como electrodos indicadores para sistemas oxido/reducción. En estas aplicaciones, el electrodo inerte actúa como una fuente o un sumidero de los electrones transferidos desde un sistema redox presente en la disolución. [8]
4. Conclusiones 4.1. El método de ion selectivo es más exacto que el método argentométrico. 4.2. Para obtener un punto final de titulación más visible en el método argentométrico se hace necesario aplicar una segunda derivada.
5. Referencias [1] jhttp://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/ymartin/ind ex_archivos/Guia%20de%20instrumental.pdf [2] Laboratorio de Análisis Instrumental , Univalle, Facultad de Ciencias, Departamento de Química, Cali-Colombia, 1-5, 2011 [3] Daniel C. Harris, Análisis Químico Cuántico , Grupo Editorial Iberoamericana, Estados Unidos de Norteamérica, 67-91, 2001 [4]
D.A.
Skoog,
D.M.
West,
F.J.
Holler, Fundamentos de Química Analítica 8ª edición , Editorial Thomson, México, 633-634, 2000. [5]nhttp://enciclopedia.us.es/index.php/Equilibrio_d e_solubilidad [6]nhttp://www.puntovital.cl/alimentacion/sana/nutri cion/sodio.htm [7]nhttp://www.crison.es/pdfs/04/crison_4_1.pdf
