2019
Química Analítica Autor: María del Karmen Manzano Aguilar
Dra. Ángeles García Hernández
- Química Analítica
Contenido Contenido Introducción ......................................................................................................... 3 Tarea 1. Examen diagnostico ............................................................................ 4 Tarea 2. Formas de expresar la concentración de las soluciones .............. 7 Tarea 2. Tipos de soluciones y solubilidad ..................................................... 10 Tarea 4. Ejercicios............................................................................................... 12 Tarea 5. Solvatación .......................................................................................... 15 Tarea 6. Equilibrio químico e ionización ......................................................... 16 Tarea 7. Reacciones reversibles e irreversibles .............................................. 19 Tarea 8. Electroquímica y sus aplicaciones, coeficientes estequiométricos, soluciones ideales y soluciones reales ............................................................ 21 Tarea 9. Expresar la constante de equilibrio (Kc) de las reacciones ........ 24 Tarea 10. Teoría de la colisiones, le Chântalier y energía de activación 25 Tarea 11. Energía de reacción, pH, teorías de: Arrhenius, Brönsted-Lowry y Lewis ..................................................................................................................... 27 Tarea 12. Efecto de ion común ....................................................................... 31 Tarea 13. Acido- base conjugada .................................................................. 32 Tarea 14. Soluciones buffer .............................................................................. 33 Comentario sobre los artículos: ....................................................................... 35 Conclusiones: ..................................................................................................... 37 Artículos ............................................................................................................... 38 ESTRATEGIA DIDÁCTICA PARA EL APRENDIZAJE DE LOS CONCEPTOS DE pH, EFECTO BUFFER Y CAPACIDAD AMORTIGUADORA A PARTIR DEL ESTUDIO DE BEBIDAS .......................................................................................... 40 NO ALCOHÓLICAS Fecha de recepción: Noviembre 27 de 2008 ................. 40 USO DE PRETRATAMIENTO Y NUEVO BUFFER PARA OPTIMIZAR LA .............. 58 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO BIOLÓGICO ................................................. 58
2
- Química Analítica Introducción El objetivo principal de este trabajo es presentar las investigaciones y ejercicios elaborados en la experiencia educativa de Química Analítica de la licenciatura de Químico Farmacéutico Biólogo, en el periodo enero 2019 – junio 2019. En los cuales se presentan diversos temas como ejercicios de algunas formas de expresión para las concentraciones, reacciones reversibles e irreversibles, disoluciones, ph, las teorías de Arrhenius, Brönsted-Lowry y Lewis, entre otros. La Química Analítica es una de las ramas más importantes de la Química moderna. Comprende la separación, identificación y
determinación
de
las
cantidades
relativas
de
los
componentes que forman una muestra de materia. Lo que hace a la Química Analítica tan importante en la actualidad,
son
sus
diversas
aplicaciones
ya
que
la
determinación de la composición química de una sustancia es fundamental en el comercio, en las legislaciones, en la industria y en muchos campos de la ciencia como lo es la medicina.
3
- Química Analítica Tarea 1. Examen diagnostico 1. ¿Qué es la química? La química es la ciencia encargada de estudiar la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que en ella ocurren durante las reacciones químicas. 2. ¿Cuáles ramas de la química conoces? Química
orgánica,
bioquímica,
inorgánica,
cristaloquímica,
química química
física,
analítica,
farmacéutica,
fisicoquímica, radioquímica,
estequiometria, entre otras. 3. ¿Qué estudian?
La química orgánica (también conocido como la química del carbono) se encarga del estudio de la materia viva.
La inorgánica estudia la composición, estructura y reacciones de los elementos inorgánicos; es decir todos aquellos que no tengan carbonos en su estructura.
La química analítica se dedica al estudio de la composición y estructura de los materiales, puede que sea para desarrollar y mejorar métodos e instrumentos.
Fisicoquímica es la que se encarga de estudiar fenómenos comunes entre la química y la física; en esta abarca distintos campos como la termoquímica, electroquímica, cinética, etc.
La bioquímica es la rama que se dedica al estudio de los procesos en los seres vivos. Con base molecular en los procesos vitales, estudiando proteínas, carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos, etc.
La cristaloquímica estudia la composición química de la materia y sus propiedades.
La rama de la farmacéutica se encarga del estudio de la composición, estructura, propiedades y aplicaciones de los fármacos, con base a las interacciones entre moléculas e impacto biológico.
La radioquímica estudia las transformaciones de elementos o sustancias radioactivas; tales como los radioisótopos. 4
- Química Analítica
La estequiometría se encarga del cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y productos en el transcurso de una reacción química.
4. ¿Qué es la química analítica? Es una ciencia de medición basada en un conjunto de ideas y métodos que son útiles en todos los campos de la ciencia y medicina. La química analítica también se aplica en la industria, medicina y casi todas las ciencias. 5. ¿Qué es una molécula? Un conjunto organizado e interrelacionado de átomos de diversa naturaleza, ya sean
de
un
mismo
elemento
o
de
muchos
elementos
diferentes, mediante enlaces químicos que dan como resultado un conjunto estable y por lo general eléctricamente neutro. 6. ¿Qué es un compuesto? Los compuestos químicos se forman por la combinación química de dos o más elementos diferentes unidos entre sí en proporción fija, se pueden separar mediante métodos químicos en sustancias (elementos o compuestos) con una estructura química más sencilla. Tienen propiedades diferentes a las de los elementos que los componen. 7. ¿Qué es una mezcla? Son aquellas soluciones que están constituidas por más de una sustancia. Podemos encontrar mezclas heterogéneas (aquellas en la que se identifican diferentes sustancias) y las mezclas homogéneas (no se muestra alguna diferencia en la solución). 8. Consideras que la química analítica es importante para un QBF Bastante importante, ya que la química analítica puede considerarse como una de las bases para un buen desarrollo en el laboratorio. Saber cuantificar y realizar las operaciones básicas es fundamental para ser un gran QFB. He llevado laboratorio de biología celular y de química inorgánica.
5
- Química Analítica Referencias Fernández, G. (2009). ¿Qúe es la química?. Fisicoquímica. Recuperado en: http://www.quimicafisica.com/que-es-la-quimica.html Méndez, A. (2010). Ramas de la química. La guía. Recuperado en: https://quimica.laguia2000.com/general/ramas-de-la-quimica Skoog, D., West, D., Holler, F. y Crouch, S. (2009). Naturaleza de la química analítica. En Fundamentos de la química analítica (pp. 2–17). México: Edamsa Impresiones. Gonzalz,
M.
(2012).
Mezcla
química.
La
guía.
Recuperado
en:
https://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/mezcla-quimica A.(2018). Concepto de Molécula. Equipo de Redacción de Concepto.de. Recuperado en: https://concepto.de/molecula-2/ Universidad Nacional Autónoma de México. (2017). Compuestos. Portal académico.
Recuperado
en:
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/unidad1/reacc ionesQuimicas/compuestos
6
- Química Analítica Tarea 2. Formas de expresar la concentración de las soluciones Una solución es una mezcla homogénea compuesta por un soluto y un solvente
Expresiones Forma física
Forma química
𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 Porcentaje en masa (%m/m): 𝑴𝒐𝒍𝒂𝒓𝒊𝒅𝒂𝒅 = 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 indica la cantidad de soluto en gramos, por cada 100g de Ejemplo: solución.
Para una disolución de 0.5 litros de Hidróxido de Magnesio [Mg(OH)2], y si el Peso Molecular del Hidróxido de Magnesio Ejemplo: si nos indican que una es de 58 g/mol. Se tienen 36 gramos de solución tiene 2,3% en masa de éste. 𝑚 1𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝑥100 𝑚 100𝑔𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛
amoniaco, quiere decir que contiene 2,3g de amoniaco por cada 100g de solución o producto.
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 Porcentaje en volumen (% 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂𝒅 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑘𝑔) V/V): indica la cantidad en cm3 de soluto por cada Ejemplo: 100cm3 de solución. Para una disolución de 2000g de Mineral 𝑉 𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝑥100 disolvente y 42 gramos de Hidróxido de 𝑉 𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 Calcio [Ca(OH)2], y si el Peso Molecular del Ejemplo. Hidróxido de Calcio es de 74 g/mol. La concentración en porcentaje de volumen de 180 cm3 de vinagre disuelto en 1,5 kg de agua. V. del soluto = 180 cm3 = 0,18 L V. del disolvente = 1,5 L V. de la disolución = 0,18 + 1,5 = 1,68L
7
- QuĂmica AnalĂtica % en volumen = (volumen de soluto / volumen de disoluciĂłn)x100 = (0,18 / 1,68) ¡ 100 = 10,7%
# đ?‘’đ?‘žđ?‘˘đ?‘–đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’đ?‘ Porcentaje masa-volumen (% đ?‘ľđ?’?đ?’“đ?’Žđ?’‚đ?’?đ?’Šđ?’…đ?’‚đ?’… = đ??ż đ?‘‘đ?‘’ đ?‘™đ?‘Ž đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› m/V): esta indica la masa de soluto en gramos por cada Ejemplo: 100cm3 de soluciĂłn. Para una disoluciĂłn de 1 litro de HidrĂłxido đ?‘š đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘‘đ?‘’ đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘œ de Calcio [Ca(OH)2], y si el Peso Molecular = đ?‘Ľ100 đ?‘‰ đ?‘šđ?‘™ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘› del HidrĂłxido de Calcio es de 74 g/mol. Ejemplo. Se tienen 42 gramos de ĂŠste. ÂżCuĂĄntos g de soluto tendrĂĄn 1200 ml de soluciĂłn cuya concentraciĂłn es de 6% m/v? masa soluto = % m/vĂ—volumen soluciĂłn / 100 = 6 % m/v Ă—1200 ml / 100 = 72 g
đ?‘đ?’?đ?’“đ?’Žđ?’‚đ?’?đ?’Šđ?’…đ?’‚đ?’… =
đ?‘›Âş đ?‘‘đ?‘’ đ?‘ƒđ??šđ??ş đ?‘‰ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘™đ?‘Ž đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘?đ?‘–Ăłđ?‘›
Ejemplo: Calcular la cantidad en gramos de NaCl disueltos en 0,5 litros si la formalidad es 0,75 F. Dato: el peso molecular del NaCl es 58,5. Formalidad = nÂş de PFG / litros de disoluciĂłn → nÂş de PFG = 0,75 / 0,5 = 1,5 nÂş de PFG de NaCl = masa / Peso FĂłrmula (PF) ≈ masa / peso molecular masa = nÂş de PFG de NaCl molecular = 1,5 ¡ 58,5 = 87,75 gr
¡ peso
8
- Química Analítica 𝑷𝒂𝒓𝒕𝒆𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒎𝒊𝒍𝒍ó𝒏 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑥 106 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Ejemplo: En un control sanitario se detectan 5 mg de mercurio (Hg) en un pescado de 1,5 kg. Calcular la concentración: Peso de mercurio = 5 mg = 5 ·10-6 kg Peso del pescado = 1,5 kg ppm = (5 · 10-6 / 1,5) · 106 = 7,5 ppm
𝑭𝒓𝒂𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒓 𝑛𝑖(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑛𝑐𝑖𝑎) = 𝑛𝑓(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛) Ejemplo: Calcular la fracción molar de una disolución en agua al 12,5% en peso de metanol (CH3OH ): fracción molar del metanol = xmetanol = nmetanol / (nmetanol + nagua) = 0,004 / (0,004 + 0,05) = 0,07
9
- Química Analítica Tarea 2. Tipos de soluciones y solubilidad
Solubilidad: La solubilidad es capacidad que posee una sustancia para poder disolverse en otra. Dicha capacidad puede ser expresada en moles por litro, gramos por litro o también en porcentaje del soluto. Generalmente, para hacer que el soluto se disuelva se suele calentar la muestra, de este modo, la sustancia disuelta se conoce como soluto y la sustancia donde se disuelve el soluto se conoce como disolvente.
Tipos de soluciones:
Insaturadas: Se tendrá una solución insaturada cuando hemos disuelto una cantidad de soluto menor a la cantidad máxima que podemos disolver. Ten presente que la
10
- Química Analítica cantidad máxima de soluto que podemos disolver en un determinado solvente es un dato que nos proporcionarán.
Saturada: Son aquellas en las que no se puede seguir admitiendo más soluto, pues el solvente ya no lo puede disolver. Si la temperatura aumenta, la capacidad para admitir más soluto aumenta. Lo podemos asociar con el aforo de un cine: si una sala tiene capacidad para 100 personas, éste es el máximo número de personas que podrán entrar. De igual forma, una solución saturada es aquella en la que se ha disuelto la máxima cantidad de gramos de soluto que el solvente puede acoger.
Sobresaturada: Son aquellas en las que se ha añadido más soluto del que puede ser disuelto en el solvente, por tal motivo, se observa que una parte del soluto va al fondo del recipiente. La solución que observamos está saturada (contiene la máxima cantidad de soluto disuelto), y el exceso se va al fondo del recipiente. La capacidad de disolver el soluto en exceso aumenta con la temperatura: si calentamos la solución, es posible disolver todo el soluto.
11
- Química Analítica
Ilustración 1 Logramos observar los fenómenos anteriormente mencionados
12
- QuĂmica AnalĂtica Tarea 4. Ejercicios Encontrar la Normalidad y Molaridad de 2L que contiene 200gr de hidrĂłxido de sodio (NaOH): PM=40gr/mol Molaridad:
Normalidad:
#đ?’Žđ?’?đ?’?đ?’†đ?’” =
đ?‘´=
đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?’ˆđ?’“ = đ?&#x;“đ?’Žđ?’?đ?’? đ?&#x;’đ?&#x;Žđ?’ˆđ?’“ đ?’Žđ?’?đ?’?
đ?&#x;“đ?’Žđ?’?đ?’? = đ?&#x;?. đ?&#x;“đ?‘´ đ?&#x;?đ?‘ł
40đ?‘”đ?‘&#x; #đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ž = đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = 40đ?‘”đ?‘&#x;/đ?‘’đ?‘ž đ?‘‚đ??ťđ?‘’đ?‘ž đ?‘šđ?‘œđ?‘™ #đ?‘’đ?‘ž = 200đ?‘”đ?‘&#x;/(40đ?‘”đ?‘&#x;/đ?‘’đ?‘ž) = 5đ?‘’đ?‘ž đ?‘ =
5đ?‘’đ?‘ž = 2đ?‘ 2đ??ż
Calcula la Normalidad y Molaridad de 275gr de KOH en 800ml de soluciĂłn. PM=56gr/mol Molaridad:
Normalidad:
#đ?’Žđ?’?đ?’?đ?’†đ?’” =
đ?‘´=
đ?&#x;?đ?&#x;“đ?&#x;“đ?’ˆđ?’“ = đ?&#x;’. đ?&#x;—đ?&#x;?đ?’Žđ?’?đ?’? đ?&#x;“đ?&#x;”đ?’ˆđ?’“ đ?’Žđ?’?đ?’?
đ?&#x;’. đ?&#x;—đ?&#x;?đ?’Žđ?’?đ?’? = đ?&#x;”. đ?&#x;?đ?&#x;‘đ?‘´ đ?&#x;Ž. đ?&#x;–đ?‘ł
56đ?‘”đ?‘&#x; 56đ?‘”đ?‘&#x; #đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ž = đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = đ?‘‚đ??ťđ?‘’đ?‘ž đ?‘’đ?‘ž đ?‘šđ?‘œđ?‘™ #đ?‘’đ?‘ž =
=
275đ?‘”đ?‘&#x; = 4.91đ?‘’đ?‘ž 56đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘’đ?‘ž
4.91đ?‘’đ?‘ž = 6.13đ?‘ 0.8đ??ż
Calcular la normalidad de una soluciĂłn que contienen 4.9 gr de H3PO4 en 250ml de soluciĂłn. PM=98gr/mol 98đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ž = đ?‘šđ?‘œđ?‘™ 2đ??ť + đ?‘’đ?‘ž 49đ?‘”đ?‘&#x; â „ = đ?‘’đ?‘ž đ?‘šđ?‘œđ?‘™
13
- QuĂmica AnalĂtica #đ?‘’đ?‘ž =
đ?‘ =
4.9đ?‘”đ?‘&#x; = 0.1đ?‘’đ?‘ž 49đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘’đ?‘ž 0.1đ?‘’đ?‘ž = 0.4đ?‘ 0.25đ??ż
Una soluciĂłn de Mg(OH)2 tiene 3.25gr disueltos en 500ml ÂżCuĂĄntos equivalentes harĂĄ en 1L? PM=58gr/mol 58đ?‘”đ?‘&#x; 29đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ž = đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = 2đ?‘‚đ??ťđ?‘’đ?‘ž đ?‘’đ?‘ž đ?‘šđ?‘œđ?‘™ #đ?‘’đ?‘ž =
#đ?‘’đ?‘ž =
3.25đ?‘”đ?‘&#x; = 0.112đ?‘’đ?‘ž 29đ?‘”đ?‘&#x; đ?‘’đ?‘ž
0.112đ?‘’đ?‘ž ∗ 0.1đ??ż = 0.112đ?‘’đ?‘ž đ??ż
14
- Química Analítica Tarea 5. Solvatación La solvatación es la unión física y química entre partículas de soluto y de solvente en una disolución. Se diferencia del concepto de solubilidad en el hecho de que no existe un equilibrio termodinámico entre un sólido y sus partículas disueltas. Esta unión es la responsable de que los sólidos disueltos “desaparezcan” a la vista de los espectadores; cuando en realidad, las partículas se vuelven muy pequeñas y terminan “arropadas” por sábanas de moléculas de solvente, lo cual hace imposible observarlas.
La polaridad química o solo polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas en la misma molécula. Esta propiedad está íntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, las fuerzas intermoleculares, etc. El compuesto 'NaCl' (sal común) si bien no es un compuesto molecular sino que es una red iónica, podría usarse en un ejemplo del efecto de una molécula o disolvente apolar ya que las moléculas de agua, polares, se introducen en los espacios vacíos entre los iones del cristal iónico (NaCl) justamente debido a su polaridad, acercándose el diferencial de carga positivo del agua a los iones Cl- y el negativo al Na+, debilitan el enlace iónico, logran que los iones se alejen y así lo disuelven permaneciendo adosadas a estos. En general, semejante disuelve a semejante: solvente apolar disuelve solución apolar, y viceversa.
15
- Química Analítica Tarea 6. Equilibrio químico e ionización
Equilibrio químico: Se le llama equilibrio químico al estado de un sistema donde no se observan cambios en la concentración de reactivos o productos, al transcurrir el tiempo, éstas se mantienen constantes. Esto se da en reacciones reversibles, donde la velocidad de la reacción de reactivos a productos es la misma que de productos a reactivos. La constante del equilibrio K puede definirse como siendo la relación entre el producto entre las concentraciones de los productos (en el equilibrio)
elevadas
a
sus
correspondientes
coeficientes
estequiométricos, y el producto de las concentraciones de los reactivos (en el equilibrio) elevadas en sus correspondientes coeficientes estequiométricos. Esta constante sufre variaciones con la temperatura.
Existen varios factores que pueden alterar el estado de equilibrio químico, los más importantes son la temperatura, la presión y la concentración de los reactivos o productos. La manera en que estos factores pueden alterar el equilibro químico se pude predecir cualitativamente según el principio de Le Châtelier, que establece lo siguiente: si se modifica alguno de los factores capaces de alterar el equilibrio químico (temperatura, presión, concentración) el sistema se desplazará de
manera de
contrarrestar la modificación.
16
- Química Analítica
Ionización: La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. A la especie química con más electrones que el átomo o molécula neutros se le llama anión, y posee una carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones catión, teniendo una carga neta positiva. Hay varias maneras por las que se pueden formar iones de átomos o moléculas.
17
- Química Analítica Teoría de ionización de Arrhenius: Las propiedades características de las disoluciones acuosas de los ácidos se debían a los iones hidrógeno, H+, mientras que las propiedades típicas de las bases se debían a los iones hidróxido, OH-, (también llamados hidroxilo u oxhidrilo). Para ello, propuso las siguientes definiciones: Ácidos y bases de Arrhenius Ácido es una sustancia que en disolución acuosa se disocia produciendo iones hidrógeno, H+. Base es una sustancia que en disolución acuosa se disocia produciendo iones hidróxido, OH-.
18
- Química Analítica
Tarea 7. Reacciones reversibles e irreversibles Reacciones reversibles
Reacciones irreversibles
Pueden tener lugar en los dos sentidos, pues los productos pueden volver a reaccionar entre sí para dar nuevamente los reactivos. Es decir, estas reacciones pueden transcurrir hacia la derecha y hacia la izquierda. Estos procesos se denominan reacciones reversibles, y se simbolizan mediante una doble flecha.
Existen reacciones químicas que, una vez iniciadas, transcurren hasta que los reactivos (o el reactivo que se halle en defecto) se consumen por completo. Estas reacciones tienen lugar en un solo sentido (hacia la derecha) y se denominan reacciones irreversibles, representándose con una sola flecha
Ejemplos:
Ejemplos:
9. Baterías recargables, cuando se descargan luego se vuelven a recargar y esto forma el ciclo. 10. Sistema de recarga de batería de los autos. El alternador genera la suficiente energía para recarga la batería. 11. Cuando el agua cambia de estado, es posible volverla a su estado original si cambiamos el sentido de la reacción. 12. Cuando reacciona cualquier ácido con una base débil, producen compuestos que son reversibles. 13. La oxidación de un hierro en un ambiente cerrado es reversible, solamente si el ambiente es cerrado
1. Pilas del control de televisor, una vez descargadas no se pueden cargar. 2. Combustión, una vez ocurrido el fuego no se puede devolver. 3. Destilación de los hidrocarburos, una vez descompuesto el petróleo no se puede obtener el crudo nuevamente. 4. Reacción producida por la célula ATP, una vez dada su carga de energía por el azúcar, no se devuelve la reacción. 5. Cuando se produce una oxidación, por ejemplo, un metal se oxida.
19
- Química Analítica
Ilustración 3 Representación gráfica de una reacción reversible
Ilustración 2 Representación gráfica de una reacción irreversible
20
- Química Analítica Tarea 8. Electroquímica y sus aplicaciones, coeficientes estequiométricos, soluciones ideales y soluciones reales
Electroquímica: La electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química.1 En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interfaz de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido. Las reacciones químicas en las que se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o, en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella. En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciométrico.
Aplicaciones (farmacológicas): El uso de la electroquímica permitirá en un corto periodo de tiempo fabricar nuevos fármacos de una forma más sostenible, incluyendo algunos medicamentos de primera prescripción. A día de hoy, la fabricación de productos farmacéuticos implica el uso de moléculas orgánicas que requieren varios pasos químicos y un fuerte uso de energía. Este proceso, también genera abundantes cantidades de residuos perjudiciales para el medio ambiente (y habitualmente tóxicos). Dentro de ciertos productos farmacéuticos se encuentran las denominadas diaminas vecinales, las cuales contienen enlaces químicos, una base bioactiva para la medicina. Según explica Song Lin, profesor asistente de química, muchos agentes terapéuticos ampliamente consumidos tienen estas diaminas, incluyendo los medicamentos para la
21
- Química Analítica gripe con receta médica, la penicilina y algunos medicamentos contra el cáncer. Lin y su equipo han desarrollado una técnica que crea estas diaminas más fácilmente y sin residuos tóxicos. El proceso utiliza electricidad y química (electroquímica) y posteriorme emplea manganeso, un material abundante en la Tierra.
Coeficientes estequiométricos: Indican en qué proporción intervienen en la reacción las cantidades (número de moles) de reactivos y de productos de la reacción. Si se trata de una reacción entre gases y todos ellos están medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, los coeficientes estequiométricos nos indican además en qué proporción intervienen en la reacción los volúmenes de reactivos y productos de la reacción.
22
- Química Analítica Soluciones ideales: Una solución es una mezcla homogénea de especies químicas dispersas a escala molecular, una solución es una fase simple: El constituyente presente en mayor cantidad se le conoce comunmente como disolvente o solvente, mientras que aquellos constituyentes (uno o más) presentes en cantidades menores se les denomina solutos. Dado que el soluto no es volátil, es vapor de disolvente puro. A medida que se añade más materia no volátil, disminuye la presión en la fase de vapor. Este comportamiento esta descrito por la ley de Raoult, que establece que la presión de vapor del disolvente sobre una solución es igual a la presión de vapor multiplicada por la fracción mol del disolvente en la solución.
Soluciones reales: Se conocen muchos ejemplos de disoluciones binarias en las que la tendencia de escape de las moléculas de un componente está alterada por la proximidad de las moléculas del otro. Estas disoluciones denominadas reales o no ideales no obedecen a la ley de Raoult para todo el intervalo de su composición. Se admiten dos tipos de desviaciones de la ley de Raoult : desviación positiva y desviación negativa.
23
- QuĂmica AnalĂtica Tarea 9. Expresar la constante de equilibrio (Kc) de las reacciones N2 + H2 ↔ NH3
N2 + 3H2↔ 2NH3
HCl+O2 ↔H2O+CL2
4HCl+O2↔2H2O + 2Cl
CH4+ O2 ↔ CO2 + H2O
CH4+2H2O↔CO2+2H2O
C2H2↔C6H6
3C2H2↔C6H6
CO2↔CO+O2
2CO2↔2CO+O2
�� =
[đ?‘ľđ?‘Żđ?&#x;‘]đ?&#x;? [đ?‘ľđ?&#x;?][đ?‘Żđ?&#x;?]đ?&#x;‘
đ??žđ?‘? =
[đ??ť2đ?‘‚]2 [đ??śđ??ż]2 [đ??ťđ??śđ?‘™]4 [đ?‘‚2]
đ??žđ?‘? =
[đ??śđ?‘‚2][đ??ť2đ?‘‚]2 [đ??śđ??ť4][đ??ť2đ?‘‚]2
đ??žđ?‘? =
[đ??ś6đ??ť6] [đ??ś2đ??ť2]3
[đ??śđ?‘‚]2 [đ?‘‚2] đ??žđ?‘? = [đ??śđ?‘‚2]2
24
- Química Analítica Tarea 10. Teoría de la colisiones, le Chântalier y energía de activación Teoría de las colisiones: Esta teoría está basada en la idea que partículas reactivas deben colisionar para que una reacción ocurra, pero solamente una cierta fracción del total de colisiones tiene la energía para conectarse efectivamente y causar transformaciones de los reactivos en productos. Esto es porque solamente una porción de las moléculas tiene energía suficiente y la orientación adecuada (o ángulo) en el momento del impacto para romper cualquier enlace existente y formar nuevas.
Principio de Le Chântalier Se refiere a que un estado de equilibrio químico es mantenido en tanto no se alteren las condiciones del sistema. Cuando se modifica algún parámetro, como por ejemplo, la presión, la temperatura o la concentración de algunas de las especies en equilibrio, este se traslada en cierta dirección (hacia los reactivos o hacia los productos) hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. Este principio establece que: Cuando una reacción en equilibrio sufre una alteración de condiciones, las proporciones de los reactivos y de los productos se ajustan de manera de minimizar el efecto de la alteración.
Energía de activación 25
- Química Analítica Es la energía que necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se repelen. Esto requiere energía (energía de activación) y proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional, vibracional, etcétera de cada molécula. En 1888, el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar. Esa energía proviene de la energía cinética de las moléculas que colisionan. La energía cinética sirve para originar las reacciones, pero si las moléculas se mueven muy lento, las moléculas solo rebotarán al chocar con otras moléculas y la reacción no sucede. Para que reaccionen las moléculas, éstas deben tener una energía cinética total que sea igual o mayor que cierto valor mínimo de energía llamado energía de activación (Ea). Una colisión con energía Ea o mayor, consigue que los átomos de las moléculas alcancen el estado de transición. Pero para que se lleve a cabo la reacción es necesario también que las moléculas estén orientadas correctamente. La constante de la rapidez de una reacción (k) depende también de la temperatura ya que la energía cinética depende de ella.
26
- Química Analítica Tarea 11. Energía de reacción, pH, teorías de: Arrhenius, Brönsted-Lowry y Lewis Energía de reacción En toda reacción química se absorbe o desprende energía (normalmente como calor o luz). Esto se debe a que al romperse y formarse enlaces se absorbe y se desprende energía respectivamente. Según criterios energéticos las reacciones se clasifican en: Exotérmicas (desprenden energía, se les asocia signo negativo). La energía liberada en los nuevos enlaces que se forman es mayor que la empleada en los enlaces que se rompen. Endotérmicas (absorben energía, se les asocia signo positivo). La energía absorbida en los enlaces que se rompen es mayor que la desprendida en los enlaces que se forman.
pH El pH es una unidad de medida que sirve para establecer el nivel de acidez o alcalinidad de una sustancia. Se expresa como el logaritmo negativo de base de 10 en la actividad de iones de hidrógeno. Su fórmula se escribe de la siguiente manera:
Ejemplos de ácidos
27
- Química Analítica
Ácidos de bacterias: Se encuentran entre el 0 y el 1, su nivel de ácido es tan fuerte que es perjudicial para las especies. Lluvia ácida: Es un fenómeno que se produce por la acumulación de ácidos provenientes de fósiles y combustibles. En la escala de ácidos se puede ubicar entre el 5 o 2 aproximadamente, siendo el primero el que cause menor daño (por ejemplo, afectar la reproducción de peces). Ya que alcanzar el 2, puede generar la muerte de especies acuáticas. De la misma forma la flora y fauna más delicada. Jugo de limón: Se ubica entre el 2 y el 3. Café: Se ubica en el 5.
Ejemplos de neutro
Sangre Leche
Ejemplos de bases
Leche de magnesia: En la tabla de pH se ubica entre 10 y 11. Este producto es de consumo medicinal. Lejía o cloro: Nivel de alcalinidad 13, se usa para la limpieza del hogar, baños, cocina y tiene el poder de decolorar la ropa.
Teoría de Arrhenius: Svante Arrhenius, un científico sueco, realizó importantes descubrimientos en química, sobre todo relacionado con las disociaciones de compuestos en disolución acuosa. Dentro de lo más importante que formulo este químico se encuentra su Teoría ácido-base, la cual se verá aquí muy superficialmente, tan solo dando las conclusiones de su estudio. Según Svante, un ácido era aquella sustancia química capaz de liberar iones hidrógeno en medio acuoso, mientras que una base era aquella sustancia química capaz de dejar iones hidroxílos en disolución acuosa. Esta definición tenía ciertas limitantes, como las que se ennumeran a continuación:
1. Esta teoría es válida únicamente en medio acuoso, ya que en otro solvente no necesariamente ocurre tal cuál. 2. Esta teoría no considera a los ácidos no-proticos, los cuales se ven incapaces de liberar iones hidrógenos, ni a las bases deshidroxiladas, incapaces de liberar iones hidroxílos.
28
- Química Analítica
Teoría de Brönsted-Lowry: A inicios de la década de los veinte, dos científicos (el danés Johannes Brønsted y el inglés Martin Lowry) de forma independiente, descubrieron y postularon una teoría ácido-base, que abarcaba más allá que la propuesta realizada por Arrhenius. Según esta teoría, un ácido es una sustancia química capaz de liberar iones hidrógeno, mientras que una base es aquella sustancia química capaz de aceptar iones hidrógeno. Esta teoría resultó útil para incluir a sustancias que con la teoría previamente existente no se habían incluido, como el amoniaco. Sin embargo, esta teoría seguía dejando afuera a varias sustancias con carácter ácido y que no poseían protones, por lo que se formuló una nueva teoría que subsanó en gran parte esta problemática: la teoría de Lewis.
Teoría de Lewis: El químico estadounidense Lewis dio una definición acerca del comportamiento de los ácidos y de las bases. Según esta, una base sería una especie que puede donar un par de electrones, y un ácido la que los puede aceptar. 29
- Química Analítica El ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y la base debe tener algún par de electrones solitario. El amoníaco es una base de Lewis típica y el trifluoruro de boro un ácido de Lewis típico. La reacción de un ácido con una base de Lewis da como resultado un compuesto de adición. Los ácidos de Lewis tales como el tricloruro de aluminio, el trifluoruro de boro, el cloruro estánnico, el cloruro de cinc y el cloruro de hierro (III) son catalizadores sumamente importantes de ciertas reacciones orgánicas. De esta forma se incluyen sustancias que se comportan como ácidos pero no cumplen la definición de Brønsted y Lowry, y suelen ser denominadas ácidos de Lewis. Puesto que el protón, según esta definición, es un ácido de Lewis (tiene vacío el orbital 1s, en donde "alojar" el par de electrones), todos los ácidos de Brønsted-Lowry son también ácidos de Lewis:
30
- Química Analítica Tarea 12. Efecto de ion común Se conoce como efecto de ion común al desplazamiento de un equilibrio iónico cuando cambia la concentración de uno de los iones que están implicados en dicho equilibrio, debido a la presencia en la disolución de una sal que se encuentra disuelta en él. Algunas veces sucede que en una misma disolución hay presentes dos tipos de sustancias, que se encuentran disociadas en sus respectivos iones, procediendo uno de éstos a su vez de la disociación de las dos sustancias. Por ejemplo, en el caso de la disolución acuosa de sulfato de sodio, Na2SO4, con sulfato de calcio, CaSO4, se encuentra presente como ion común, el ion sulfato, procedente de la disociación de las dos sales de la disolución.
31
- Química Analítica Tarea 13. Acido- base conjugada Según la Teoría ácido-base de Brønsted-Lowry, base es toda sustancia capaz de aceptar protones, y ácido es aquella capaz de cederlos. Una consecuencia de lo anterior es que existe la reversiblidad de la transferencia de protones, ya que al ceder un protón, un ácido HA, la parte restante: A-, sería capaz de aceptar este H+, o sea, se comportaría como una base, la cual es conocida como par conjugado. Un ácido conjugado, dentro de la teoría del ácido-base de BrønstedLowry, es un compuesto químico formado por la recepción de un protón (H+) por una base; en otras palabras, es una base con un ion de hidrógeno agregado. Por otro lado, una base conjugada es lo que queda después de que un ácido ha donado un protón durante una reacción química. Por lo tanto, una base conjugada es una especie formada por la eliminación de un protón de un ácido.1 Debido a que algunos ácidos son capaces de liberar múltiples protones, la base conjugada de un ácido puede ser ácida.
32
- Química Analítica Tarea 14. Soluciones buffer
Las soluciones amortiguadoras, capaces de resistir cambios en el pH, son indispensables para mantener estable la concentración de iones hidrógeno H+ los sistemas biológicos. Cuando hay demasiados iones H+, una solución amortiguadora absorberá parte de ellos, subiendo el pH; y cuando hay muy pocos, la solución amortiguadora aportará algunos de sus propios iones H+ para reducir el pH. Las soluciones amortiguadoras consisten generalmente de un par ácido-base, cuya diferencia radica en la presencia o ausencia de un protón (un par ácido-base conjugado). Por ejemplo, una de las soluciones amortiguadoras que mantienen el pH en la sangre humana está formada por el ácido carbónico y su base conjugada, el ion bicarbonato. El ácido carbónico se forma cuando el dióxido de carbono entra al torrente sanguíneo y se combina con el agua, y es la forma principal en la que el dióxido de carbono viaja en la sangre entre los músculos (donde se produce) y los pulmones (donde es liberado como producto de desecho).
33
- Química Analítica Volumetría: Los métodos de valoración son métodos analíticos en los que la cantidad de analito se determina a partir de la cantidad de reactivo estándar que se necesita para reaccionar completamente con el analito. En las valoraciones volumétricas se determina el volumen de una disolución de concentración conocida, que se necesita para reaccionar, de forma prácticamente completa con el analito. Las valoraciones gravimétricas difieren sólo en que se mide el peso del reactivo en lugar de suvolumen. En las reacciones culombiométricas, el "reactivo" es la corriente eléctrica continúa constante, de magnitud conocida, que reacciona con el analito; en este caso se mide el tiempo necesario para completar la reacción electroquímica. Una disolución estándar de reactivo (o valorante estándar) es una disolución de reactivo de concentración conocida, que se usa para realizar un análisis volumétrico. Una valoración se hace añadiendo lentamente una disolución estándar de reactivo desde una bureta a una disolución de analito, hasta que la reacción entre los dos sea completa. El punto de equivalencia de una valoración se alcanza cuando la cantidad de valorante añadido es químicamente equivalente a la cantidad de analito que hay en la. A veces es necesario añadir un exceso de valorante estándar, y después determinar el exceso, mediante una valoración por retroceso, con un segundo valorante estándar. En este caso, el punto de equivalencia es tal, que la cantidad gastada de valorante equivale a la cantidad de analito más la cantidad de retrovalorante.
34
- Química Analítica Comentario sobre los artículos: Estrategia didáctica para el aprendizaje de los conceptos de pH, efecto buffer y capacidad amortiguadora a partir del estudio de bebidas no alcohólicas. Comentario: En este artículo, demuestra que muchos productos empleados cotidianamente poseen propiedades químicas tales como la capacidad amortiguadora y efecto buffer. Logramos entender que una solución amortiguadora, también conocida como buffer es un sistema químico que afecta la concentración de los iones de hidrógeno en una solución, de tal forma que cuando son añadidas pequeñas cantidades de ácido o base, el cambio de pH que se produce es significativo. Razón por la cual el pH está íntimamente ligado con las soluciones amortiguadoras, puesto que las buffer constan de una mezcla de un ácido débil y de su base conjugada. Por otra parte, presenta u estudio realizado para determinar la capacidad amortiguadora de soluciones como: ácido láctico (leche y yogurt), ácido cítrico (jugo de naranja) y ácido fosfórico (gaseosa oscura); observando que todos cuentan con cierta capacidad amortiguadora, ya que su cambio en el pH fue significativo. Sin embargo, el jugo de naranja fue el producto con mayor capacidad amortiguadora. La finalidad de este artículo, era presentar que la soluciones amortiguadoras las podemos encontrar en muchas sustancias y no precisamente en el laboratorio, de esta manera abrir nuestro panorama y observar este tipo de reacciones en fenómenos de la vida cotidiana.
Uso de petramiento y nuevo buffer para optimizar la producción de hidrogeno biológico. Comentario: Este artículo no me pareció tan interesante, sin embargo ejemplariza muy bien el uso de la soluciones buffer en la obtención de hidrógeno biológico (una alternativa para alimentar celdas; como un combustible no toxico, ni contaminante para el medio ambiente y con una mayor densidad de energía en comparación con otros combustibles).
35
- Química Analítica Además, presenta los resultados de estudios microbianos para la obtención del hidrógeno biológico; aplicando acético - acetato como solución buffer, para crear un pH óptimo para el cultivo y de esta manera tener un incremento al crecimiento de colonias. Por otra parte, ocupa otra solución buffer (MES) para comparar y observar cual mantiene el pH más estable.
36
- Química Analítica Conclusiones: A lo largo de esta experiencia educativa, logramos adquirir: los principios básicos que rigen los métodos clásicos del análisis químico como son los volumétricos y los gravimétricos; la integración de los saberes teóricos, heurísticos y axiológicos facilitarán al estudiante un manejo correcto de las variables incluidas en la aplicación teórica y práctica de las diferentes técnicas analíticas. De igual manera, los conceptos
fundamentales,
expresiones
de
concentración,
equilibrio químico y los métodos volumétricos y gravimétricos. Haciendo uso de las estrategias metodológicas, que incluyen exposición del profesor, resolución de problemas y ejercicios, búsqueda bibliográfica, trabajo en equipo y debate. La evaluación se
lleva
a
cabo
de
manera
continua
cualitativa
y
cuantitativamente. Haciendo hincapié que el análisis químico es una parte importante del trabajo profesional del QFB; por medio de las técnicas analíticas disponibles es posible determinar cualitativa y cuantitativamente los componentes de muestras de origen diverso; por lo tanto, se requiere poseer los conocimientos y habilidades en esta área que le permitan elegir y usar los métodos analíticos más adecuados y al mismo tiempo interpretar resultados. La química analítica le proporciona los fundamentos necesarios en ésta área de su formación y a través del conocimiento y comprensión de los métodos
analíticos
clásicos,
el
estudiante
podrá
aplicarlos
posteriormente en procesos diversos como son la realización e interpretación de pruebas de laboratorio, análisis, conservación e industrialización de diversos productos.
37
- Química Analítica Artículos
38
- Química Analítica Umbral Científico ISSN: 16923375
umbralcientifico@umb.edu.co Universidad Manuela Beltrán Colombia
Bustamante R, Andrea J.; Murillo C, Nidya Mayely; Ayala, Andrea; Casas, Jaime A. ESTRATEGIA DIDÁCTICA PARA EL APRENDIZAJE DE LOS CONCEPTOS DE pH, EFECTO BUFFER Y CAPACIDAD AMORTIGUADORA A PARTIR DEL ESTUDIO DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS Umbral Científico, núm. 14, junio, 2009, pp. 181-192 Universidad Manuela Beltrán Bogotá, Colombia
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=30415059016
Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
39
- Química Analítica ESTRATEGIA DIDÁCTICA PARA EL APRENDIZAJE DE LOS CONCEPTOS DE pH, EFECTO BUFFER Y CAPACIDAD AMORTIGUADORA A PARTIR DEL ESTUDIO DE BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS
Fecha de recepción: Noviembre 27 de 2008 Fecha de Aceptación: Abril 30 de 2009
Andrea J. Bustamante R*, Nidya Mayely Murillo C*, Andrea Ayala *. Jaime A. Casas* RESUMEN: El concepto de pH se relaciona con conceptos tales como capacidad amortiguadora y Efecto Buffer, pero comúnmente se enseñan de forma aislada, por lo cual el propósito de este artículo es presentar una estrategia didáctica para estudiantes de educación superior, que incluye una revisión teórica, un TPL basado en una titulación potenciométrica de bebidas no alcohólicas y finaliza con el tratamiento matemático de los datos obtenidos permitiendo comparar los valores teóricos y experimentales, utilizando para ello diagramas de distribución de especies y fracciones alfa, las cuales pueden ser aplicadas a diferentes soluciones. Palabras claves: Aprendizaje Significativo, pH, Efecto Buffer, Capacidad Amortiguadora, acidez iónica, acidez titulable ABSTRACT: The buffer concept is related with others as buffering capacity and buffer effect, but usually they are taught in isolated way, for this reason, the purpose of this article is show a didactic strategy for top education students, that includes a theorist revision, a Practical Laboratory Work based on a potenciometric titration with non alcoholic drinks and it ends with the data mathematic approach, that is useful to compare the theorist and experimental information. This strategy proposes a mathematic approach from the use of species distribution diagrams and alpha fractions, which can be applied in different solutions. Keywords: Significative learning pH, buffer effect and buffering capacity, ionic acidity, acidity.
40
- Química Analítica 1.INTRODUCCIÓN La enseñanza de la química en la actualidad implica un abordaje matematizado de los conceptos propios de las teorías modernas, a pesar de esto, se trabaja de forma convencional sin tener en cuenta los sistemas reales que no se ajustan a los modelos teóricos existentes. Por tanto, es pertinente que los profesores de química asuman el reto de aprender y enseñar esta ciencia desde las teorías modernas, buscando una incidencia directa en la enseñanza y en el aprendizaje. Aunque el concepto de pH se relaciona con conceptos tales como capacidad amortiguadora y Efecto Buffer, estos comúnmente se enseñan de forma aislada, lo que no permite que los estudiantes aprendan significativamente en su campo de acción. El presente artículo tiene como propósito presentar una estrategia didáctica innovadora que no se desarrolle siguiendo enfoques teóricos tradicionales encontrados con frecuencia en la literatura, sino que permita la vinculación de otras perspectivas de abordaje a través del uso de diagramas de distribución de especies y determinación de fracciones alfa, favoreciendo el aprendizaje significativo y crítico de los conceptos de pH, efecto buffer y capacidad amortiguadora. *Facultad de Ciencia y Tecnología: Departamento de Química/ Universidad Pedagógica Nacional, Bogotá Colombia. e-mail: mdqu35_abustamante@pedagogica.edu.co; mdqu30_nmurillo@pedagogica.edu.co Umbral Científico Bogotá Colombia No.14 p.181- 192 Junio de 2009
Para el aprendizaje de los conceptos estructurantes mencionados anteriormente se recurre en primera instancia al diseño y realización de un trabajo práctico de laboratorio (TPL) que permite recolectar datos para su posterior tratamiento y análisis químicomatemático, empleando tampones encontrados en bebidas no alcohólicas tales como leche, yogurt, jugos y bebidas gaseosas, lo cual facilita el desarrollo de habilidades cognitivas y procedimentales en el aprendizaje de conceptos químicos. En segunda instancia se ilustra el abordaje teórico y matemático de los conceptos objeto de estudio. Finalmente se pretende fomentar en los estudiantes el análisis de datos obtenidos en el TPL mediante la comparación de los valores de acidez titulable de referencia con los valores obtenidos experimentalmente.
41
- Química Analítica Esta iniciativa responde a las nuevas tendencias en educación en química, basadas en el enfoque CTSA que concibe el empleo de sustancias inocuas para la salud, el ambiente y la utilización de productos de uso común como alternativa viable en la enseñanza. Se considera que los TPL son importantes para la consolidación y el aprendizaje de los conceptos químicos, ya que permiten que la enseñanza de la química sea más activa y constructivista que según Ausubel (1981), propone que el conocimiento es una construcción del ser humano, ofreciendo una mayor relación con los acontecimientos de la vida diaria, al mismo tiempo que permiten desarrollar habilidades cognitivas, procedimentales y que permiten fomentar la formación de actitudes científicas. Con este trabajo también se pretende demostrar que muchos productos empleados comúnmente poseen propiedades químicas tales como capacidad amortiguadora y efecto buffer, propias de las soluciones amortiguadoras preparadas y trabajadas en el laboratorio.
2.ABORDAJE TEÓRICO Y MATEMATICO DE LOS CONCEPTOS QUIMICOS Para alcanzar una comprensión estructurada de los conceptos de capacidad amortiguadora y efecto buffer, es preciso puntualizar hasta qué nivel de complejidad teórica se quiere llegar y desde cuál perspectiva de enseñanza se hace el enfoque. El abordaje de los conceptos para este estudio no está fundamentado en la ecuación de Henderson Hasselbach, sino en el empleo de coeficientes de actividad para cálculos de pH y capacidad amortiguadora, haciendo uso de los Diagramas de Distribución de Especies y de las Fracciones Alfa. Se entiende la Fracción Alfa de una especie química, como la proporción entre su concentración y la concentración analítica dentro de un sistema a un pH determinado, y el Diagrama de Distribución de Especies como la representación gráfica de las fracciones alfa frente al pH de la solución. Así por ejemplo, en el diagrama de distribución de especies del ácido fosfórico, una fracción alfa 1 (α1) de 0,690 a un cierto pH se interpretaría de la siguiente manera: de todas las especies de fosfato, aquella que es mono protonada
42
- Química Analítica (HPO42-) constituye un 69% del total de las especies presentes, (PO43- , HPO42-, HPO41-, H3PO4). (Casas, Clavijo 2006). Un Buffer, tampón o amortiguador de pH es un sistema químico que afecta la concentración de los iones de hidrógeno (o hidronios) en una solución, en forma tal que cuando son añadidas pequeñas cantidades de ácido o base, el cambio que se produce en el pH no es significativo. Por tal razón, los amortiguadores de pH están relacionados con los sistemas que resisten cambios en el pH cuando se adicionan cantidades de ácido o base fuerte a una solución. Estos amortiguadores se conocen como soluciones buffer ácido-base y constan generalmente de una mezcla de un ácido débil y su base conjugada.
Figura 1. Composición más frecuente de soluciones buffer-
Es así que el estudio de soluciones amortiguadoras nos permite relacionar otros conceptos importantes como lo son pH, capacidad amortiguadora y Efecto buffer, los cuales para su mayor comprensión se definirán a continuación recordando en primera instancia qué es una reacción acido – base: •
Reacción ácido-base: según la teoría de Bronsted Lowry; en este tipo de reacción sólo interviene la transferencia de protones, H+. Un ácido es una especie química que tiene la capacidad de transferir protones y una base es la especie capaz de recibirlos.
•
pH a partir de la definición operativa, en función de actividades es:
(1)
43
- Química Analítica Donde •
es el coeficiente de actividad y
el factor de actividad
Capacidad Amortiguadora según Clavijo (2002), es la capacidad que debe tener una solución amortiguadora de pHc y pH en términos de número de moles (o equivalentes) de ácido fuerte o de base fuerte necesarios para disminuir o aumentar una unidad de pHc respectivamente, por litro de solución buffer.
Para efecto del desarrollo de la estrategia, los autores proponen una expresión matemática que permite hallar la capacidad amortiguadora desde el enfoque moderno:
(2) Donde β(OH) es la capacidad amortiguadora frente a bases fuertes, αi y αi’ son las fracciones alfa al pH inicial, (pHi) y al pH final del buffer (pHf=pHi + 1) respectivamente, C la concentración analítica del buffer utilizado y, de acuerdo con la cantidad de especies, n indica el número de protones de la especie más protonada. De esta manera si una sustancia tiene cuatro fracciones alfa α, (α0, α1, α y α3), n será 3 y va disminuyendo hasta llegar a 1. •
Efecto amortiguador o Buffer: Dado que no se encuentra una definición formal los autores proponemos que este se determina de acuerdo a la cantidad de mmoles o mequivalentes de ácido/base fuerte necesarios para llevar a 50mL de una solución a pH 7.
Acidez titulable y acidez iónica: la concentración total de ácidos libres presentes en una muestra que se determina por medio de una titulación con una solución de álcali estándar hasta alcanzar el punto de equivalencia (usando indicador o potenciómetro) es conocido como acidez titulable. La acidez iónica se expresa en unidades pH. Existen numerosos estudios teóricos y prácticas de laboratorio para aplicar los conceptos de pH, efecto buffer y capacidad amortiguadora, que no incluyen el abordaje matemático que este artículo presenta. A nivel práctico se emplearon productos de la vida cotidiana como leche, yogurt, jugo y bebida gaseosa, de las cuales se describen las propiedades fisicoquímicas, haciendo énfasis en el pH y acidez titulable de referencia, (Ver tabla 1). El pH presente
•
44
- Química Analítica en el alimento es el resultado de los sistemas amortiguadores naturales que predominan en el mismo. Tabla N° 1: Propiedades fisicoquímicas, pH y acidez titulable de referencia, de las bebidas objeto de estudio. Parámetros según las normas técnicas colombianas NTC 805 para Yogurt, NTC 2740 Bebidas gaseosas, NTC 506 leche entera pasterizada, NTC 404, NTC jugos de frutas. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS
pH DE REFERENCIA
ACIDEZ TITULABLE DE REFERENCIA
6.6 - 6.8
Acidez como Ácido Láctico en %
PRODUCTO
LECHE ENTERA UTH: Se entiende por esta la leche sometida a un proceso tecnológico adecuado, que asegure la destrucción de los gérmenes patógenos, sin modificación sensible de su naturaleza fisicoquímica, características biológicas y cualidades nutritivas.
YOGURTH ENTERO CON TROZOS DE FRUTA: Producto de la leche coagulada obtenida por fermentación láctica mediante la acción del lacto bacillus bulgaricus y strectococcus termophilus a partir de leche pasteurizada.
JUGO DE NARANJA: Líquido obtenido al exprimir naranjas frescas y maduras, sin diluir, concentrar, ni fermentar y el cual es apto para consumo directo.
/v 0,14 - 0,19
m
Acidez como Ácido Láctico en % /v 0,80 - 1,50
m
≤ 4,6
Acidez como Ácido (g/100cm3) 2.0.
Cítrico
3.5 a 4.0
GASEOSA CARBONATADA OSCURA: Solución acuosa no fermentada analcohólica, adicionada o no de 2,3 – 3,5 edulcolorantes, apta para consumo humano, que contiene anhídrido carbónico, mezcla de aditivos permitidos.
Acidez como Ácido Fosfórico con un límite de 0, 06%.
45
- Química Analítica 3.METODOLOGÍA Esta estrategia didáctica se diseñó para ser aplicada a nivel universitario con estudiantes que cursen química analítica o para estudiantes de posgrado, la estrategia consta de las siguientes fases: a. Revisión bibliográfica de los conceptos: para este fin, se tuvo en cuenta el enfoque matemático contemporáneo. Esta revisión contó con un minucioso estudio de los conceptos con el fin de ser concretos y claros en el momento de precisar y presentar los conceptos de pH, capacidad amortiguadora y efecto buffer, además se hizo la diferencia entre los conceptos de acidez titulable y acidez iónica. b. Presentación y ejecución del trabajo práctico de laboratorio: este se apoyó en el método de titulación potenciométrica y se emplearon bebidas no alcohólicas tales como: leche, yogurt, jugo y gaseosa. Se partió de la preparación y estandarización de una solución aproximadamente 0,2 M de NaOH con Biftalato de potasio (KHPh), a continuación la preparación de cada una de las muestras siguiendo los parámetros establecidos en las normas ICONTEC (NTC 805, 2740, 506, 404, 440, respectivamente) y finalmente se realizó una titulación ácido-base potenciométrica en un sistema abierto con adiciones en intervalos de 0,2 mL de NaOH aproximadamente 0,2 M, con el fin de registrar los datos de pH y volumen de base añadidos. Además se realizó un ensayo preliminar con cada uno de los productos y de esta manera se conoció en alguna medida el comportamiento ácido-base de la muestra. Abordaje matemático: este abordaje tiene en cuenta el cálculo de la capacidad Amortiguadora teórica y experimental, el efecto buffer y la acidez titulable.
c.
Para calcular la Capacidad Amortiguadora teórica se emplearon las fracciones α determinadas a partir de los diagramas de distribución de especies (ver figuras 2, 3 y 4) cada una de estas fracciones indican que especies predominan en la reacción. Las fracciones se determinaron a pH inicial (pHi) y pH final (pHf,) – teniendo en cuenta el aumento de una unidad de pH, partiendo del pH inicial obtenido en el laboratorio para cada producto. Luego se aplicó la ecuación (2), en la cual C es la concentración analítica del buffer utilizado. A continuación, se determinaron las mmoles de base utilizadas para llevar cada producto a un pH de 7,0 que permitió calcular el Efecto
46
- Química Analítica Buffer, por último se calculó la acidez titulable, para esto se utilizó el valor de mL de álcali empleados para conseguir un pH de 8,2. La capacidad amortiguadora teórica y experimental fueron comparadas al igual que la acidez titulable con los valores teóricos y/o de referencia respectivamente, (tabla 1), para realizar esta comparación los valores teóricos se expresaron en términos de concentración molar (M). Diagramas de Distribución de Especies. Estos diagramas elaborados por los autores, muestran las especies predominantes de un sistema a un determinado pH. (Figuras 2, 3 y 4).
47
- Química Analítica 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS El TPL propuesto aporta los datos con los que se realizaron los cálculos matemáticos y el análisis respectivo. La concentración de la solución NaOH trabajada fue de 0,197M, (estandarizada con KHPh). A continuación se presentan las curvas de titulación de los cuatro productos utilizados, posteriormente las fracciones alfas empleadas para determinar la capacidad amortiguadora teórica de los productos. Es pertinente aclarar que la composición de los productos se asumió en términos del ácido predominante: ácido láctico, (leche y yogurt), ácido cítrico, (Jugo de naranja) y ácido fosfórico, (Gaseosa oscura).
Curvas de titulación En las figuras 5, 6, 7 y 8, se presenta el valor de mL de base adicionados para aumentar una unidad de pH (color azul), para llevar la solución a pH 7 (color rojo), y la acidez titulable para cada uno de los productos utilizados (color amarillo). Estos volúmenes permitieron determinar la Capacidad Amortiguadora experimental, el Efecto Buffer y Acidez Titulable de cada uno de los productos trabajados.
De acuerdo con las curvas de titulación, se puede evidenciar que la sustancia que necesitó más base para aumentar una unidad de pH fue el Jugo de naranja,(7,2 mL), seguido del yogur de guanábana, (6,4 mL), posteriormente la leche, (3,0 mL) y por último se encuentra la bebida gaseosa, (1,0 mL). De esta manera se puede observar que el producto con mayor capacidad amortiguadora es el jugo de naranja. También, se deduce que los productos se presentan en el mismo orden, (jugo, yogurt, leche y gaseosa), en cuanto al Efecto Buffer y acidez titulable se refiere. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 8. 5. ABORDAJE MATEMATICO
48
- Química Analítica Los cálculos matemáticos se realizaron de la siguiente manera, primero se determinaron las fracciones alfa correspondientes para cada uno de los pH trabajados, luego se muestran las concentraciones de cada especie del ácido en la reacción con la base adicionada, y por último se halló la capacidad amortiguadora del producto. Para este fin se muestra el tratamiento matemático para la leche, de la cual la especie predominante es el ácido láctico. Cálculos: 1. Determinación de las Fracciones alfa del ácido láctico.
;
;
Donde CA es la concentración analítica del ácido.
Reemplazamos en
, [FHA] denota el Factor de Protonación del anión que es igual a ), De esta manera tenemos CA= Donde α0 es la fracción de la especie menos protonada, LacSe calculan las Fracciones alfas a los dos pH, pH i = 6,71 y pHf = 7,71, que corresponde a una unidad por encima. pH 6,71 el FHA es 1.00141 pH 7,71 el FHA es 1,00140
49
- Química Analítica α0, nos ayuda a determinar α1 α1 =
=
0
Donde 1αes la fracción de HLac A pH de 6,71 A pH 7,71 α α0
α1
pH 6,71
0,9985
1,414
*
7,71
0,9998
1,412
*
Tabla 2. Fracciones alfa. Leche Entera. La concentración analítica del ácido láctico en la leche será:
HLac
+
OH-
→ Lac- +
H2O pH 6,71 0,015 M * 1,41*10-3 0,011 M 7,71
0,015 M * 0,9985 pH
0,015 M * 1,41*10-4
---
0,015 M * 0,9998 Donde las concentraciones del HLac- corresponden al producto entre α1 a cada valor de pH y la concentración analítica del producto analizado, que se obtuvo a partir del volumen de punto de equivalencia, (3,8 mL) y la estequiometria de la reacción de titulación; idéntica consideración se aplica a Lac-. La cantidad de base que reacciona es la diferencia entre HLac a pH 6,71 y HLac a pH 7,71. Capacidad Amortiguadora (β) de la leche como acido láctico: β=C( 2)
(de la ecuación
50
- Química Analítica Donde C es la concentración del producto en términos del ácido predominante, indica la especie HLac, a pHi y α’1 es la especie HLac, a pHf
Capacidad amortiguadora experimental de la leche:
Donde V es el volumen de base añadida, Cb, es la concentración de la base y alícuota representa la cantidad de muestra que se toma para la titulación. Así,
Fracciones alfa (α). A continuación se muestran las fracciones alfa para las especies de los productos trabajados con sus respectivos ácidos. Es importante tener en cuenta que las fracciones debe emplearse con la mayor cantidad de cifras significativas posibles. FRACCIONES α ÁCIDO LÁCTICO (leche) pH
α0
α1
6,71
0,998
1,410 *10-3
7,71
0,999
1,412 * 10-4
Tabla 3. Fracciones α Hlac (Leche entera). FRACCIONES α ÁCIDO LÁCTICO (Yogurt) pH
α0
α1
2,51
0,043
0,957
3,51
0,309
0,691
Tabla 4. Fracciones α Hlac (yogurt con trozos de guanábana). FRACCIONES α ÁCIDO CÍTRICO (Jugo) pH 1,37 2,36
α0 6,49 *10-11 5,63 * 10 -8
α1 6,95 *10 -6
α 0,0171
α3 0,9829
0,148
0,8514
0,0006
51
- Química Analítica Tabla 5. Fracciones α H3cit (para el jugo de naranja natural). FRACCIONES α ÁCIDO FOSFÓRICO pH α0 α1 α α3 0,35 2, 479 *10-21 2, 305*10-9 0, 017 0,9833 -18 -7 1,35 2, 147 * 10 2, 004*10 0, 145 0,8548 Tabla. 6. Fracciones α H3PO4 para la gaseosa oscura.
Capacidad amortiguadora teórica CAPACIDAD AMORTIGUADORA TEÓRICA ÁCIDO LACTICO (pH 6,71-7,71 Leche)
ÁCIDO LACTICO (pH 2,5-3,5 Yogurt)
ÁCIDO CÍTRICO (pH 1,37-2,37 Jugo de naranja)
ÁCIDO FOSFÓRICO (pH 0,35-1,35)
0,011 M
0,020 M
5,7*10-3 M
8,1*10-4 M
Tabla 7. Capacidad Amortiguadora calculada con base en las fracciones alfa
Resultados PRODUCTO
LECHE ENTERA
YOGUR DE GUANABANA
JUGO DE NARANJA NATURAL
GASEOSA COCA-COLA
CAPACIDAD AMORTIGUADORA EXPERIMENTAL
0,011 M
0,025 M
0,028 M
3,94 * 10-3 M
EFECTO BUFFER
0,236 mmol
3,427 mmoL
6,028 mmoL
0,473 mmoL
ACIDEZ TITULABLE
0,0149 M
0,077 M
0,124 M
0,118 M
% ERROR CAPACIDAD AMORTIGUADORA
0
25
391,2
386,4
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS Al comparar los valores de referencia con los obtenidos experimentalmente se presentó que la leche, el yogurt y el jugo de naranja se encuentran entre los rangos permitidos de pH y acidez titulable, sin embargo, esto no ocurre con la gaseosa ya que al realizar la medida de pH arrojó un valor inferior al de los parámetros de referencia y la acidez titulable sobrepasó el límite establecido que pudo ser debido al CO fijo presente en las bebidas gasificadas. A pesar que la acidez de los productos se encontraba dentro de los rangos, al hallar el error relativo en la capacidad amortiguadora se
52
- Química Analítica aprecian algunos porcentajes altos que pueden ser debidos a errores operativos, (lectura en el volumen y pH) y/o instrumentales, (calibración de material volumétrico y equipos empleados), pero en buena medida, a que se está suponiendo que los productos analizados están constituidos únicamente por el ácido representativo. Es importante mencionar la diferencia que existe entre acidez iónica y acidez titulable, esto se ve claramente evidenciado en el caso de la gaseosa, que aunque presenta un pH bajo la cantidad de álcali adicionada para conseguir el punto de equivalencia fue poca comparada con los demás productos empleados. Esto permite comprender que un valor de pH bajo no siempre indica un porcentaje de acidez alto. Con respecto a las curvas de titulación, la gaseosa presentó un comportamiento no esperado, ya que con pocas adiciones de base, alcanzo rápidamente el pH alcalino correspondiente a la acidez titulable, siendo fácilmente visibles las secciones de la curva en las cuales el pH ascendía a 7 para efecto buffer y para los puntos de inflexión correspondientes al ácido predominante, fenómeno que no se presentó, por ejemplo, en la leche y el yogurt, productos en los cuales, la titulación aparece como un proceso ascendentemente lineal, que no muestra puntos de inflexión definidos, titulaciones en las cuales se puede interpolar la capacidad amortiguadora y el efecto buffer a partir del pH inicial, sin embargo, pese a esto, la leche y el yogurt presentaron una capacidad amortiguadora alta, cuestión que se refleja en la baja pendiente de las mismas curvas; para el caso del jugo de naranja, la primera sección de la curva antes del punto de inflexión, se aprecia una alta tendencia del producto mantener el pH en rangos cercanos sin diferencias mayores, pero, después del punto de equivalencia, la curva tiende a un aumento progresivo del pH, como consecuencia del comportamiento del acido cítrico con adiciones de base. Se infiere, de este análisis gráfico, que los productos que muestran una alta tendencia a mantener una baja pendiente, pese a grandes adiciones de base, son aquellos productos con una alta capacidad amortiguadora. Por otra parte, cuando se comparan los cálculos teóricos con los experimentales para la capacidad amortiguadora, es posible evidenciar grandes diferencias numéricas, esto se debe
53
- Química Analítica a que en los cálculos teóricos se tiene en cuenta solo la especie acida predominante, mientras que en los cálculos con datos experimentales el resultado es el producto de la interacción de todas las especies del sistema y no solamente el ácido en cuestión. Eso muestra que el comportamiento de los amortiguadores presentes en los productos cotidianos no es igual a los que se fabrican en el laboratorio, ya que los primeros cuentan con más de una especie, la cual afecta la capacidad amortiguadora del producto. Además, los diagramas de distribución de especies permitieron determinar las fracciones alfa necesarias para el cálculo de la capacidad amortiguadora, la versatilidad en el empleo de estos diagramas radica en que se pueden encontrar los valores de las fracciones alfa en un valor de pH determinado, simplificando de esta forma los cálculos matemáticos. Para hallar el valor de la capacidad amortiguadora teórica se comprobó que la ecuación propuesta por los autores (citada en el marco teórico) es útil y aplicable en dichos cálculos, siempre y cuando se determinen previamente las fracciones alfa.
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La estrategia propuesta permite un aprendizaje significativo y crítico de los conceptos de pH, Capacidad Amortiguadora, Efecto Buffer ya que se parte de un estudio conceptual y un abordaje matemático el cual se afianza en el trabajo práctico de laboratorio en donde se utilizan sistemas más complejos empleados en la vida cotidiana que permiten la aplicación de los conceptos aprendidos y la comparación de los valores teóricos con los obtenidos experimentalmente. El TPL, permite abordar en conjunto los conceptos propuestos ya que la obtención de datos para realizar la curva de titulación proporciona los valores necesarios para establecer relaciones entre estos. A medida que se avanza en el proceso de titulación se obtienen los valores necesarios que se emplearán para los cálculos posteriores correspondientes para cada concepto, así: valor de pH inicial (acidez iónica), al aumentar una unidad de pH (capacidad amortiguadora), al llegar a pH 7.0 (efecto buffer) y finalmente a pH de 8.2 (acidez titulable). Es posible mediante esta estrategia tener una visión más amplia de los sistemas que forman las soluciones amortiguadoras. Es así que
54
- Química Analítica el estudiante que profundiza en el concepto de pH y acidez titulable llega a la diferenciación entre estos; también la elaboración, análisis y utilización de los Diagramas de Distribución de Especies, le permite una comprensión más amplia de los sistemas buffer y la distribución de cada fracción en el rango de pH, al mismo tiempo que le proporciona elementos para los cálculos matemáticos correspondientes. Además en la estrategia presentada se define el concepto de efecto buffer que aunque es utilizado para explicar comportamientos químicos de las sustancias no ha sido precisado formalmente en la literatura, adicionalmente a nivel teórico se propuso una expresión para calcular la capacidad amortiguadora de las soluciones buffer, que surge a partir del conocimiento químico de los equilibrios de las especies involucradas, la cual posteriormente fue aplicada efectivamente en los cálculos matemáticos. Los productos de uso cotidiano empleados en esta estrategia, muestran la importancia de incluir en los Trabajos Prácticos de laboratorio sustancias inocuas para el ambiente y de fácil adquisición, que además permiten el análisis y aprendizaje significativo de las propiedades químicas ya citadas. Para la aplicación de esta estrategia se recomienda: Realizar un estudio que incluya no solamente la comprensión teórica de los conceptos sino también su abordaje matemático y el análisis químico de los sistemas presentes previo al trabajo de laboratorio. Emplear diferentes productos dentro de los grupos seleccionados en este artículo (leche, yogurt, jugo, gaseosa) que permitan comparar las propiedades químicas objeto de estudio. Utilizar material previamente calibrado para minimizar errores de tipo instrumental. Preparar y estandarizar la solución de álcali que se vaya a utilizar.
BIBLIOGRAFIA Ausubel, D. (1981). Psicología educativa: Un punto de vista cognitivo. México: Trillas. Casas J. y Clavijo. A. Diseño de soluciones amortiguadoras de pH: una perspectiva didáctica aplicando los diagramas de distribución de especies. (Abril, 2006). Actas de las VII Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Química. Disponible en: www.fcn.unp.edu.ar/publicaciones/jornadasdequimica/publicaciones/TC16.pdf
55
- Química Analítica Clavijo, A. (2002). Fundamentos de química analítica: equilibrio iónico y análisis química 189 – 274). Bogotá: Universidad Nacional de Colombia.
(pp.
Instituto Colombiano de Normas Técnicas. (1996), NTC 805. (1990), NTC 2740. (1993), NTC 506. (1981), NTC 404. (1972) NTC 440. Bogotá, D.C.: ICONTEC Métodos oficiales de las normas de análisis de los alimentos. (1994). Madrid: A. Madrid Vicente Ediciones. Mundi prensa libros. Normas de calidad de los alimentos. (1990). (pp. 147-153 y 191-199).Madrid: Ediciones Vicente Madrid. Potter, M y Hotchkiss, J. (1999). Ciencia de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Skoog, D y Leary, J. Análisis instrumental. Cuarta edición. Madrid: Mc Graw Hill, 1994. 935p.
56
- Química Analítica Avances en Ciencias e Ingeniería E-ISSN: 0718-8706 crojas@exeedu.com Executive Business School Chile
Gerosa, Fernando; García, Rodrigo; Daneri, Florencia; Cabezas, Marcelo; Martínez, Verónica; Franco, Juan USO DE PRETRATAMIENTO Y NUEVO BUFFER PARA OPTIMIZAR LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO BIOLÓGICO Avances en Ciencias e Ingeniería, vol. 8, núm. 3, julio, 2017, pp. 39-49 Executive Business School La Serena, Chile
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=323652916005
Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
57
- Química Analítica USO DE PRETRATAMIENTO Y NUEVO BUFFER PARA OPTIMIZAR LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO BIOLÓGICO USE OF PRETREATMENT AND NEW BUFFER TO OPTIMIZE THE PRODUCTION OF BIOLOGICAL HYDROGEN
Fernando Gerosa1, Rodrigo García1, Florencia Daneri1, Marcelo Cabezas2, Verónica Martínez2, Juan Franco2 (1) Dirección de Investigación de la Armada Argentina (DIIV-ARA), Laprida 201, Vicente López, Buenos Aires - Argentina (2) Laboratorio de Pilas de Combustión PEM a Hidrógeno (LAB-PEM), CITEDEF, San Juan B. de La Salle 4397, Villa Martelli, Buenos Aires – Argentina (e-mail: fgerosa@citedef.gob.ar)
Recibido: 22/12/2016 -Evaluado: 26/01/2017 -Aceptado: 26/04/2017
RESUMEN El objetivo de este trabajo es optimizar la producción de hidrógeno biológico por fermentación oscura a partir de cultivos bacterianos mixtos, utilizando glucosa como fuente de carbono. Para ello se evaluó el efecto en rendimientos y porcentajes de hidrógeno, al aplicar un pretratamiento con calor del inóculo. Esto permitió alcanzar porcentajes mayores de hidrógeno y rendimientos algo superiores con respecto a cultivos sin pretratamiento. También se evaluaron distintas soluciones amortiguadoras para regular el pH del medio. Comparamos el buffer comercial MES con un buffer acético-acetato de preparación propia. Éste último mantuvo el pH en valores cercanos al pKa del ácido acético, que es uno de los principales productos de fermentación. Además, al ser más económico, se lo utilizó para realizar un escalado en lote en un biorreactor de 5 litros tipo tanque agitado, logrando obtener un rendimiento entre los más altos reportados para cultivos mixtos.
ABSTRACT The objective of this work is to optimize the production of biological hydrogen by dark fermentation from mixed bacterial cultures, using glucose as carbon source. This paper evaluates the effect on the yield and percentage of hydrogen produced when applying a heat pretreatment to the inoculum. Results show that higher percentages of hydrogen and higher yields are obtained when applying this 58
- Química Analítica pretreatment. Different buffer solutions were also evaluated to regulate the pH of the medium, comparing commercially available MES buffer against an acetate based buffer prepared in our laboratory. The latter maintained the pH close to pKa of acetic acid, which is one of the main fermentation products. Additionally, this buffer was used to scale the batch process in a 5-liter stirred tank bioreactor, achieving yields among the highest reported for mixed cultures. Palabras clave: biohidrógeno, consorcios microbianos, fermentación, optimización Keywords: biohydrogen, microbial consortia, fermentation, optimization INTRODUCCIÓN En la actualidad, los hidrocarburos son la principal fuente de energía utilizada por el hombre. Sin embargo, el continuo y progresivo aumento en el uso de esta fuente de energía a lo largo del siglo XX hasta el presente, está asociado por gran parte de la comunidad científica al aumento de la temperatura media del planeta y a los efectos medioambientales que genera el calentamiento global. Esto se debe principalmente a que el uso de hidrocarburos provoca la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2, además de otros gases contaminantes que son nocivos para la salud. Por esta razón, la búsqueda de nuevas fuentes de energía que sean renovables y menos contaminantes para el medio ambiente resulta de gran interés para el desarrollo y sustentabilidad de las sociedades futuras. En este contexto, la utilización de hidrógeno para alimentar celdas de combustible tipo PEM es una alternativa atractiva, ya que este gas no es tóxico ni contaminante para el medio ambiente y posee una mayor densidad de energía en comparación con otros combustibles, como la gasolina y el etanol (Thomas, 2000; Wong et al., 2014). Además, el hidrógeno es un vector de energía limpia, que sólo genera agua como residuo de su utilización para generar energía eléctrica en este tipo de celdas (Franco et al., 2010; Kordesch & Simader, 1996). Sin embargo, a pesar de ser el elemento más abundante en el Universo, el hidrógeno no se encuentra en su forma molecular en la naturaleza, por lo que tiene que ser producido. La mayoría de los métodos de producción de hidrógeno utilizados en la actualidad, son altamente dependientes de los hidrocarburos que pretenden reemplazar, como por ejemplo a partir del reformado de gas natural, gasificación de carbón, entre otros. Sin embargo, existen otros métodos de producción de hidrógeno que están siendo investigados y 59
- Química Analítica que presentan buenas perspectivas a futuro, como por ejemplo, la fermentación oscura de carbohidratos por parte de consorcios microbianos mixtos (Dincer & Acar, 2015; García & Franco, 2013; Kordesch & Simader, 1996; Lang et al., 2011; Nikolaidis & Poullikkas, 2017). Estos microorganismos, al metabolizar la fuente de carbono, reducen moléculas de NAD+ a NADH y de ferredoxina a ferredoxina reducida. Para poder continuar con el metabolismo celular, estas moléculas deben volver a oxidarse. Las enzimas hidrogenasas toman los electrones provenientes de NADH y ferredoxina reducida para producir hidrógeno, permitiendo así la oxidación de estos intermediarios de reacción, utilizando H+ como aceptor final de los electrones. Idealmente, según la estequiometria del catabolismo de glucosa por la vía de formación de acetato (que es la vía más favorable para la formación de hidrógeno) se pueden obtener un máximo de 4 moles de H2 por mol de glucosa consumida (Ecuación 1). De esta forma, los microorganismos generan la energía química necesaria para su crecimiento en forma de ATP, produciendo una mezcla de H2 y CO2 como subproducto de la fermentación (Cheng et al., 2007; Rahman et al., 2016; Saady 2013). Esta mezcla de gases tiene la ventaja de que puede ser utilizada directamente en una pila de combustible PEM, ya que el CO2 no contamina los componentes de la celda. Además, este tipo de las celdas de combustible nos permite estimar el porcentaje de hidrógeno presente en una muestra de biogás, ya que solamente el hidrógeno es consumido y el dióxido de carbono no (Martínez et al., 2012).
C6H12O6 + 2 H2O
2 CH3COO- + 2 CO2 + 4 H2 + 2 H+
(1)
La fermentación oscura por cultivos bacterianos mixtos presenta algunas dificultades que deben solucionarse para alcanzar mayores rendimientos y poder ser así una alternativa competitiva dentro de las energías alternativas. En primer lugar, los cultivos mixtos utilizados para realizar la fermentación están conformados por diferentes tipos de microorganismos, de los cuales algunos son capaces de producir hidrógeno, mientras que otros lo utilizan como sustrato para generar diferentes subproductos (como por ejemplo las bacterias homoacetogénicas o las metanogénicas que generan ácido acético y metano respectivamente, a partir del hidrógeno y dióxido de carbono) (Cheng et al., 2007; Saady, 2013). Este inconveniente puede solucionarse aplicando diferentes pretratamientos de los inóculos que permitan seleccionar los microorganismos que producen hidrógeno y eliminar a los que lo consumen (Wong et al., 2014; Rahman etal., 2016; Zumar Bundhoo 60
- Química Analítica et al., 2015). Esto se debe a que algunos microorganismos son capaces
de formar estructuras altamente resistentes llamadas esporas en respuesta a un estrés físico, como por ejemplo las bacterias productoras de hidrógeno del género Clostridium, que se encuentran presentes en gran porcentaje en aguas cloacales (Brock et al., 1994; Kapdan & Kargi, 2006; Olguín-Araneda et al., 2015). De esta manera, se han investigado diferentes tipos de pretratamientos, como tratamientos con ácidos o bases, con calor, entre otros (Ren et al., 2008; Wong et al., 2014; Zumar Bundhoo et al., 2015). En este trabajo se determina el efecto del pretratamiento con calor sobre la producción de hidrógeno mediante fermentación por cultivos mixtos provenientes de aguas cloacales, utilizando glucosa como sustrato. Por otro lado, se estima la efectividad para regular el pH de diferentes soluciones amortiguadoras (buffer) y sus efectos en la producción de hidrógeno. Algunos autores utilizan el buffer comercial MES (ácido 2-(N-morfolino) etanosulfónico monohidratado) de pKa 6,15 (Logan et al., 2002; García et al., 2012; Martínez et al., 2012), que tiene la propiedad de no formar complejos con iones metálicos, pero tiene un elevado costo. Por este motivo, se estudia el efecto de utilizar una solución amortiguadora de preparación propia con acetato de sodio y ácido acético, a un pH de 5,2. La elección de este buffer se basa en que uno de los principales productos de este tipo de fermentación es el ácido acético (Cheng et al., 2007; Rahman et al., 2016) y por lo tanto, el propio metabolismo bacteriano estaría generando su propia solución amortiguadora capaz de regular el pH en un valor cercano al pKa de ácido acético (4,76). A partir de éstos resultados, se elige la estrategia de escalado del proceso para trabajar en un biorreactor de tanque agitado de 5 litros y calcular el rendimiento. Además se diseñó un sistema de almacenamiento de gases que permita trabajar a una presión cercana a la atmosférica.
MATERIALES Y MÉTODOS Consorcios microbianos Los consorcios microbianos utilizados en este trabajo fueron extraídos de una planta de tratamiento de aguas cloacales ubicada a bordo de la corbeta ARA Guerrico perteneciente a la Armada Argentina. Dicho inóculo demostró ser el mejor productor de hidrógeno en trabajos previos, en donde se lo comparó con la producción de consorcios provenientes de compost comercial y de muestras de suelo (García et al., 2012). En los casos en los que se aplicó un pretratamiento con calor, se mantuvieron los inóculos durante 1 hora a 75°C en baño termostático. 61
- Química Analítica Incubación La incubación se realizó en matraces Erlenmeyers de 500 ml. Se utilizaron 10 ml de inóculo y 100 ml de medio de cultivo conteniendo: 30 g/l de sustrato (D(+)-glucosa anhidra, Cicarelli ®), 2 g/l NH4HCO3 (P/A Cicarelli ®), 1,2 g/l KH2PO4 (P/A Biopack®), 200 mg/l MgSO4•7H20 (Uso técnico), 200 mg/l Na2MoO4•2H2O (P/A Cicarelli ®), 200 mg/l CaCl2•2H2O (P/A Cicarelli ®), 200 mg/l MnSO4•H2O (P/A Biopack®), 200 mg/l FeSO4 (Uso técnico). La solución se amortiguó, según el caso, con 5 % v/v de solución reguladora acetato de sodio-ácido acético con un pH final de 5,2, o con 0,05 M (10,665 g/l) de ácido 2-(N-morfolino) etanosulfónico monohidratado (buffer MES; J.T. Baker, Phillipsburg, NJ) (Logan et al., 2002). Los ensayos se realizaron de forma individual a diferentes tiempos de cultivo (24, 48, 72, 96, 120, 144 y 168 horas, según el caso). Para generar las condiciones anaeróbicas en las que se lleva a cabo la fermentación, se desplazó el aire dentro de los matraces con nitrógeno. Finalmente se taparon los matraces con un tapón de goma (en los casos en los que se calculó el rendimiento, se adaptó un manómetro a los tapones para poder medir la presión dentro de los matraces y calcular los moles de hidrógeno producidos) y se sellaron con cita para prevenir la fuga de gases o el desprendimiento del tapón por la presión. La incubación se realizó en una estufa a 38°C, sin agitación. El pH inicial y final de cada cultivo se midió utilizando un pH-metro Adwa AD12. Porcentaje de H2 Para estimar el porcentaje de hidrógeno presente en la mezcla de gases generada por el consorcio microbiano, se utilizó un método propio basado en el volumen de gas remanente en una jeringa. Este método se basa en que una celda de combustible tipo PEM sólo es capaz de consumir hidrógeno para generar energía eléctrica, mientras que otros gases, como el nitrógeno y el dióxido de carbono, pasan a través de la pila sin ser consumidos. Para ello, se extrajo un volumen inicial (20 ml) del gas producido con una jeringa y se lo inyectó en la entrada de gases de una pila PEM de 0.5V ± 0.1V acoplada a un motor eléctrico. El gas no utilizado por la pila se colectó con otra jeringa conectada a la salida de gases de la misma. El gas se hizo recircular a través de la pila hasta que el motor eléctrico dejó de funcionar. A partir del volumen de gas remanente en la jeringa (Vf) se pudo calcular el porcentaje de hidrógeno presente en la mezcla de gases (García et al., 2012; Martínez et al., 2012).
62
- Química Analítica Glucosa consumida Las determinaciones de glucosa se realizaron con el Kit de Glicemia Enzimática AA de Weiner Lab. Dicho kit provee los reactivos con la enzima glucosa oxidasa (que cataliza la reacción de glucosa a ácido glucónico y peróxido de hidrógeno) y la enzima peroxidasa. Esta última enzima cataliza la reacción del peróxido de hidrógeno, que junto al 4hidroxibenzoato y 4-aminofenazona (también provistos por el kit) permite obtener el compuesto coloreado quinonimina roja. Luego se determinó la absorbancia de las muestras a 505 nm utilizando un espectrofotómetro Numak modelo 721. Las muestras de cultivo se almacenaron congeladas a -18°C, para finalmente descongelar y determinar la cantidad de glucosa a tiempo inicial y final de cada cultivo. Los datos de glucosa consumida se utilizaron para calcular los rendimientos de los cultivos expresados en moles de H2 producidos por mol de glucosa consumida. Ensayo en biorreactor Se realizó un ensayo en un biorreactor de tanque agitado Biostat A-Plus de 5 litros (Sartorius Stedim Biotech S.A.). Para ello se utilizaron 4,5 litros de medio de cultivo preparado de la misma manera que en los matraces Erlenmeyer, utilizando el buffer acético-acetato y 500 ml de inóculo, al que se le aplicó el pretratamiento con calor a 75 °C durante 1 hora. Para generar la atmósfera anaeróbica necesaria para la fermentación se burbujeó nitrógeno dentro del cultivo hasta que el sensor de oxígeno del biorreactor alcanzó un valor estable cercano a cero. El biogás producido en la fermentación se almacenó en 3 tubos de acrílico de 5 litros cada uno, conectados al biorreactor por medio de mangueras y válvulas, que fueron llenados previamente con agua. De esta forma, el biogás generado en el biorreactor desplazó un volumen de agua de los tubos de almacenamiento. El agua desplazada se almacenó en otros tubos de reserva, que a su vez actuaron como cierre hidráulico del sistema. En cuanto se generó más gas del que los tubos eran capaces de almacenar, éste burbujeó hacia la atmósfera por los tubos de reserva de agua que se encontraban destapados, evitando que se genere sobrepresión dentro del reactor, manteniendo una presión en todo el sistema cercana a la atmosférica (Fig. 1).
63
- Química Analítica
Tubos de almacenamient o de gases Tubos de reserva de agua Biorreactor
Fig. 1: Esquema del sistema de almacenamiento de gases. Línea negra: Biogás. Línea azul: Agua.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Evaluación del pretratamiento con calor Para determinar el efecto del pretratamiento del inóculo sobre la producción de hidrógeno, se realizaron ensayos independientes con y sin pretratamiento utilizando el buffer comercial MES, a diferentes tiempos finales. También se determinó el pH inicial y final de cada cultivo, ya que la producción de hidrógeno está asociada a la producción de ácidos grasos volátiles y al consecuente descenso del pH (Ecuación 1). En primer lugar, se observó que el uso del pretratamiento permitió alcanzar un porcentaje de hidrógeno más alto en la mezcla de gases (valor máximo de 56,25 % a las 144 horas) (Fig. 2a) con respecto a cultivos sin pretratamiento (valor máximo de 50 % a las 120 horas) (Fig. 2b). En las primeras 48 horas, los cultivos con pretratamiento presentaron porcentajes de H2 algo menores (17,5 % y 25 % sin pretratamiento, 10 % y 15 % con pretratamiento a las 24 y 48 horas respectivamente), pero esta tendencia se revirtió en las horas posteriores (Fig. 2c). Por otro lado, los porcentajes de hidrógeno disminuyeron luego de alcanzar su valor máximo (41,87 % y 40,83 % a las 144 y 168 horas) en los cultivos sin pretratamiento (Fig. 2b). Esto pudo deberse a que en los cultivos sin 64
- Química Analítica pretratamiento con calor, pueden estar presentes microorganismos que utilizan el hidrógeno generado como sustrato para formar otros productos finales. Estos microorganismos estarían siendo eliminados por el pretratamiento de los inóculos. Al analizar los rendimientos obtenidos, en los cultivos con pretratamiento se alcanzó el valor máximo en el momento en el que ocurre la producción inicial de hidrógeno (2,05 mol H2 /mol de glucosa a las 48 horas) (Fig 3). Luego, se observó un descenso abrupto del rendimiento a las 72 horas (0,76 mol H2/ mol glucosa), pero luego aumentó progresivamente a 1,04 y 1,60 mol H2/mol glucosa a las 96 y 120 horas respectivamente. En el caso de los cultivos sin pretratamiento, se alcanzaron los rendimientos más altos en las horas iniciales de producción (2,35, 2,32 y 2,93 mol H2/mol glucosa a las 48, 72 y 96 horas) y luego el rendimiento cayó abruptamente a las 120 horas (1,33 mol H2/mol glucosa) (Fig. 3). Como se mencionó previamente, esto pudo deberse a que en los cultivos sin pretratamiento estén presentes microorganismos que consuman hidrógeno, o bien que utilicen glucosa como sustrato sin producir hidrógeno, disminuyendo así el rendimiento. Al comparar los rendimientos de las dos condiciones en las horas iniciales, el uso del pretratamiento con calor no resultó en una mejora neta en la producción de hidrógeno (Fig. 3). Sin embargo, a las 120 horas de cultivo se revirtió la tendencia inicial y se obtuvo un rendimiento mayor en cultivos con pretratamiento que sin pretratamiento (1,60 mol H2/mol glucosa y 1,33 mol H2/mol glucosa respectivamente) (Fig. 3). La obtención de rendimientos iniciales más altos (así como porcentajes iniciales de hidrógeno más altos) en cultivos sin pretratamiento pudo estar asociada a que dentro del consorcio microbiano conviven gran cantidad de microorganismos de distintos géneros y especies. Por lo tanto, al realizar el pretratamiento, además de eliminar bacterias que consumen hidrógeno, es posible que se hayan eliminado microorganismos productores de hidrógeno que no sean capaces de formar esporas. Por ejemplo, algunas especies de género Enterobacter, como E. cloacaeo E. aerogenesson productoras de hidrógeno, pero a diferencia de las bacterias del género Clostridium, no son capaces de formar esporas (Cheng et al., 2007). Evaluación del uso de diferentes soluciones reguladoras de pH También se estudió el efecto de utilizar distintas soluciones reguladoras del pH en los medios de cultivo, tanto en la producción de hidrógeno
65
- Química Analítica como en los rendimientos alcanzados. Motivó estos ensayos, la necesidad de disminuir los costos a la hora de realizar un escalado. Además, al evaluar los valores obtenidos en los ensayos anteriores utilizando el buffer MES (pKa= 6,15) se pudo observar que al utilizar esta solución reguladora, con o sin pretratamiento (Fig. 2 a, b) los valores de pH cayeron muy por debajo del rango de amortiguación (que es máxima en el valor del pKa). Por estas razones se eligió comparar el buffer MES con una solución reguladora de elaboración propia, preparada con acetato de sodio y ácido acético a pH 5,2. Para dicha comparación no se realizó el pretratamiento con calor.
a)
66
- Química Analítica b)
c) Fig. 2: a) Porcentaje de hidrógeno obtenido en la mezcla de gases y pH final en cultivos con
pretratamiento (c/p). b) Porcentaje de hidrógeno y pH final en cultivos sin pretratamiento (s/p). c) Comparación de la evolución del % H2 en el tiempo en ambas condiciones.
Fig. 3: Comparación de los rendimientos de formación de H 2 en cultivos con y sin pretratamiento (c/p y s/p) expresados en mol H2 producido/mol glucosa consumida.
Al comparar los valores de pH final en ambos casos pudimos observar que al utilizar buffer MES se alcanzaron valores más bajos (pH final de 4,31 a las 168 horas). El pH final de la fermentación cayó muy por debajo del rango de amortiguación de una solución reguladora, por lo tanto el bufferMES no logró regular el pH del medio. En cambio al utilizar el bufferacético-acetato, la diferencia observada entre el pH inicial y final 67
- Química Analítica de los cultivos fue menor, siendo el pH final un valor similar al pKa del ácido acético (pKa ác. acético= 4,76, pH final= 4,80 a las 168 horas) (Fig. 4). Éste bufferacético-acetato se eligió como solución reguladora debido a que el ácido acético es uno de los principales productos de la fermentación microbiana en la producción de hidrógeno (Ecuación 1). Por lo tanto, el propio metabolismo bacteriano es capaz de generar ácidos grasos, que en presencia de sus sales que se encuentran en el buffer, son capaces generar una solución reguladora del pH en un valor similar a su pKa, que es de 4,76 (Fig. 4).
Fig. 4: Valores de pH final a cada tiempo de cultivo con buffer MES y acético-acetato sin pretratamiento (s/p).
Al analizar los porcentajes de hidrógeno obtenidos en ambos casos, se pudo observar que con la solución buffer MES se alcanzaron porcentajes más altos de hidrógeno en todos los puntos (Fig. 5a). También se observó que al utilizar el buffer acético-acetato, los cultivos demoraron más horas en comenzar la producción de hidrógeno (48 horas en el caso del MES y 96 horas para el acético-acetato) y se alcanzaron porcentajes de hidrógeno inferiores. A tiempos de cultivo más largos, la diferencia en los porcentajes finales de hidrógeno con ambas soluciones reguladoras se hizo más estrecha (Fig. 5 a). El mismo efecto se observó al analizar los rendimientos en las dos condiciones. En los tiempos iniciales se obtuvieron rendimientos muy superiores con el bufferMES, pero a tiempos más largos
68
- Química Analítica (a partir de las 120 horas) se alcanzaron valores muy similares (Fig. 5b).
a)
b) Fig. 5: a) Porcentajes de hidrógeno obtenidos en la mezcla de gases en función del tiempo con el buffer MES y acéticoacetato sin pretratamiento. b) Comparación de los rendimientos de formación de H2. A las 168 horas en el cultivo con buffer acético-acetato se observó el crecimiento de un hongo, lo que podría haber disminuido el rendimiento.
Escalado en biorreactor de 5 litros Se realizó un primer escalado del cultivo en un biorreactor tipo tanque agitado de 5 litros, utilizando el buffer acético-acetato y aplicando el pretramiento con calor de los inóculos. Para la elección de las condiciones de cultivo (buffery pretratamiento), se tuvieron en cuenta tanto los resultados de la sección precedente como la necesidad de disminuir los costos para realizar el escalado del proceso. También se tuvo en cuenta los resultados obtenidos en ensayos en matraces Erlenmeyers, en los que se analizaron el porcentaje de hidrógeno producido con el bufferMES y el acético-acetato, pero esta vez implementando el pretratamiento con calor. Las diferencias entre ambas condiciones fueron menos notorias que en los ensayos sin pretratamiento mostrados en la sección anterior de este trabajo (15 % en ambos casos a las 72
69
- Química Analítica horas, a las 96 horas 38 % para el buffer MES y 32,5 % para acéticoacetato). Una de las dificultades que presenta trabajar en matraces cerrados, es que la producción de hidrógeno puede verse inhibida a medida que aumenta la presión parcial de este gas. Por lo tanto acumular presión dentro de los matraces puede ser una gran desventaja (Cheng et al., 2007; Kisielewska et al., 2015). Por esta razón, a diferencia de los ensayos en Erlenmeyers, el sistema diseñado para almacenar el gas del biorreactor permite que no se acumule presión en los tubos (Fig. 1), favoreciendo así la producción de hidrógeno por parte del cultivo. En este ensayo se produjo hidrógeno desde las 18 hasta las 72 horas de cultivo y se obtuvo un rendimiento total de 2,80 moles H2/mol glucosa (Tabla 1), alcanzando un valor cercano al mejor rendimiento obtenido con el bufferMES y superando ampliamente los rendimientos alcanzados con los con el bufferacético-acetato en matraces Erlenmeyers. Tabla 1: Valores de producción de hidrógeno obtenidos en el biorreactor, con un volumen de cultivo de 5 litros. Vol. gas total (L) 21.06
Vol. H2 total (L) 14.50
% Total H2 68.85
Rendimiento (mol H2/mol glc.) 2.80
CONCLUSIONES En cuanto al uso del pretratamiento con calor de los inóculos se observaron dos efectos. En las horas iniciales los cultivos sin pretratamiento obtuvieron porcentajes de hidrógeno y rendimientos mayores (Fig. 2c y 3). Sin embargo esta tendencia se fue revirtiendo en tiempos de cultivo más largos. A partir de las 120 horas se obtuvieron porcentajes de hidrógeno y rendimientos mayores en cultivos con pretratamiento (Fig. 2a y 3). Esto indica que el pretratamiento con calor del inóculo genera cambios en la composición del mismo y en la consecuente producción de hidrógeno, viéndose levemente favorecida en cultivos con pretratamiento a tiempos largos. Además, en uno de los ensayos sin pretratamiento (bufferacético-acetato a las 168 horas) se observó el crecimiento de un hongo en el medio de cultivo. Por lo tanto, independientemente de los porcentajes de hidrógeno alcanzados, el pretratamiento con calor puede ser efectivo para eliminar cualquier microorganismo que pueda consumir la fuente de carbono sin producir hidrógeno. Teniendo en cuenta estos resultados, debería considerarse la aplicación o no del pretratamiento con calor (o cualquier pretratamiento) para cada inóculo en particular, ya que distintos 70
- Química Analítica inóculos provenientes de diferentes fuentes pueden tener una composición microbiana muy distinta, por lo que también pueden eliminarse microorganismos productores de hidrógeno menos resistentes. Por otro lado, el uso del buffer acético-acetato presenta algunas ventajas con respecto al buffer MES. En primer lugar, el pH inicial de los cultivos con el buffer acético-acetato es de 5,94 frente a los 6,43 de MES. Algunos microorganismos consumidores de hidrógeno, como las bacterias metanogénicas, crecen a un pH óptimo entre 6 y 7. Por lo tanto comenzar el bioproceso con un pH inicial menor (que bajará aún más a medida que avance la fermentación) podría controlar la población microbiana metabólicamente activa dentro del cultivo. Además, con la utilización de este nuevo buffer, se logra regular el pH de la fermentación en un valor similar al pKa del ácido acético. Cuando la solución tiene un valor de pH cercano al pKa del ácido acético, la capacidad amortiguadora del bufferes máxima. Según los resultados observados con el bufferMES (pKa 6,15), éste no logra actuar como solución reguladora. A pesar de que inicialmente se obtienen mejores resultados con el bufferMES, a tiempos más largos de cultivo se observan resultados similares en cuanto a rendimiento y porcentajes de hidrógeno. Por estas razones, y teniendo en cuenta que el bufferacético-acetato es considerablemente más barato que el MES, la utilización de esta nueva solución reguladora resulta conveniente. Por último, a partir del ensayo en el biorreactor y del diseño empleado para el almacenamiento de gases, se pudo apreciar el efecto que tiene trabajar a presiones elevadas en los cultivos, ya que esto afecta negativamente la producción de hidrógeno. Ante las mismas condiciones de cultivo pero acumulando la presión del gas, se obtienen rendimientos y porcentajes de hidrógeno muy inferiores. El valor de rendimiento alcanzado en el biorreactor con el buffer acético-acetato (2,8 mol H2/mol glucosa) fue casi tan alto como los alcanzados con MES en matraces Erlenmeyers, encontrándose entre los valores más altos reportados para cultivos mixtos con glucosa como sustrato, que se encuentran entre 2 y 2,89 mol H2/mol glucosa (Kim & Kim, 2012; Ren et al., 2008, Wong et al., 2014). De esta manera pudo observarse el efecto negativo que tiene la acumulación de presión dentro de los matraces en la producción de hidrógeno, ya que desfavorece el pasaje de hidrógeno disuelto en el líquido a la fase gaseosa, además de inhibir la actividad enzimática de las hidrogenasas que catalizan la producción de hidrógeno (Cheng et al., 2007; Kisielewska et al., 2015). 71
- Química Analítica A partir de los ensayos realizados en este trabajo se puede tener una idea de las condiciones y de los parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de optimizar la producción de hidrógeno biológico mediante cultivos mixtos. La realización de duplicados y análisis estadísticos futuros, así como el análisis de diferentes parámetros y estrategias de cultivo (ya sea cultivos continuos, diferentes tipos de reactores o fuentes de carbono), nos permitirán mejorar los niveles de producción en escala de laboratorio para diagramar ensayos a escalas mayores, potenciando así el desarrollo de éste método renovable de producción de hidrógeno para generar energía eléctrica limpia y sustentable.
AGRADECIMIENTOS A Marcelo Cabezas por colaborar en el diseño del sistema almacenador de gases, al Programa de Investigación y Desarrollo para la Defensa (PIDEFF 20/14) otorgado por el Ministerio de Defensa por financiar la presente investigación y a las instituciones a las que pertenecen los investigadores por el apoyo brindado.
REFERENCIAS 1.
Brock, T.D., Madigan, M.T. & Martinko, J.M. (1994). Biology of Microorganisms, 8° edición. Prentice-Hall, New York.
2.
Cheng, K.Y., Cord-Ruwisch, R. & Ho, G. (2007). Limitations of bio-hydrogen production by anaerobic fermentation process: An overview . Renewable Energy for Sustainable Development in the Asia Pacific Region Conference. Fremantle, Western Australia.
3.
Dincer, I. & Acar, C. (2015). Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability. International Journal of Hydrogen Energy, 40, 11094-11111.
4.
Franco, J.I., Fasoli, H.J., Sanguinetti, A.R. & Lavorante, M.J. (2010). Tecnología Argentina en la ingeniería de pilas de combustión a hidrógeno con electrolito polimérico. Records of World Congress & Exhibition
Engineering. Buenos Aires, Argentina. 5.
García, R.E. & Franco, J.I. (2013). Hydrogen production by mixed cultures. Bioenergy systems, biological sources and enviromental impact. Nova Science Publisher. New York. ISBN 978-1-62417-331-8.
6.
García, R.E., Martínez, V.L., Franco J.I. & Curutchet, G. (2012). Selection of natural bacterial communities for the biological production of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy,37, 10095-10100.
72
- Química Analítica 7.
Kapdan, I.K. & Kargi, F. (2006). Bio-hydrogen production from waste materials. Enzyme and Microbial Technology, 38, 569-582.
8.
Kim, D. & Kim, M. (2012). Thermophilic fermentative hydrogen production from various carbon sources by anaerobic mixed cultures. International Journal of Hydrogen Energy, 37, 2021-2017.
9.
Kisielewska, M., Debowski, M. & Zielinski, M. (2015) Improvement of biohydrogen production using a reduced pressure fermentation. Bioprocess and Biosystem Engineering, 38, 1925-1933.
10.
Kordesch, K. & Simader, G. (1996). Fuel cells and their applications. VCH. Weinheim, Alemania. ISBN 3527-28579-2.
11.
Lang, Y., Arnepalli, R. & Tiwari, A. (2011). A review on hydrogen production: methods, materials and nanotechnology. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11, 3719-3739.
12.
Logan, B.E., Oh, S.E., Kim, I.S. & Van Ginkel, S. (2002). Biological hydrogen production measured in batch anaerobic respirometers. Environmental Science & Technology, 36, 2530-2535.
13.
Martínez, V.L., García, R.E., Curutchet, G., Sanguinetti, A., Fasoli, H.J. & Franco J.I. (2012). Demonstration of the possibility to power a fuel cell with hydrogen derived from the fermentation of sugar. International Journal of Hydrogen Energy, 37, 14920-14925.
14.
Nikolaidis, P. & Poullikkas, A. (2017). A comparative overview of hydrogen production processes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 597-611.
15.
Olguín-Araneda, V., Banawas, S., Sarker, M. & Paredes-Sabaja D. (2015). Recent advances in germination of Clostridium spores. Research in Microbiology,166, 236-243.
16.
Rahman, S., Masdar, M., Rosli, M., Majlan, E., Husaini, T., Kamarudin, S., et al. (2016). Overview biohydrogen technologies and application in fuel cell technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 66, 137162.
17.
Ren, N., Guo, W., Wang, X., Xiang, W., Liu, B., Wang, X., et al. (2008). Effects of different pretreatment methods on fermentation types and dominant bacteria for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 33, 4318-4324.
18.
Saady N. (2013). Homoacetogenesis during hydrogen production by mixed cultures dark fermentation: Unresolved challenge. International Journal of Hydrogen Energy, 38, 13172-13191.
73
- QuĂmica AnalĂtica 19.
Thomas, G. (2000). Overview of storage development: DOE hydrogen program. U.S. Department of Energy, Sandia National Laboratories. San Ramon, California. U.S. DOE Hydrogen Program 2000 Annual Review.
20.
Wong, Y., Wu, T. & Juan, J. (2014). A review of sustainable hydrogen production using seed sludge via dark fermentation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 34, 471-482.
21.
Zumar Bundhoo M.A., Mohee, R. & Ali Hassan, M. (2015). Effect of pretreatment technologies on dark fermentative biohydrogen production: A review. Journal of Environmental Management, 157, 20-48.
74