Volumetría: Técnicas y Aplicaciones en Química Analítica

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USP-NF ⟨541⟩ Volumetría
Impreso el: Thu Aug 10 2023, 08:46:41 am
Impreso por: Martha Jimenez
Estado: Oficial Vigente al 10-ago-2023
Fecha oficial: Oficial desde antes del 2013
Tipo de Documento: Capítulo General
DocId: GUID-BCAF402E-9408-4F7C-BF53-B1F6E9DA6BA9_1_es-ES
DOI: https://doi.org/10.31003/USPNF_M99300_01_02
DOI Ref: 94215
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© 2023 USPC
⟨541⟩ VOLUMETRÍA
VALORACIONES VOLUMÉTRICAS DIRECTAS
La volumetría directa es el tratamiento de una sustancia soluble en solución, y contenida en un recipiente adecuado, con una solución
estandarizada apropiada (la solución volumétrica), donde el punto final se determina en forma instrumental, o visualmente con ayuda de un
indicador adecuado.
La solución volumétrica se agrega desde una bureta de capacidad adecuada que se elige de acuerdo con la concentración (normalidad), de
modo tal que el volumen consumido sea de entre 30% y 100% de la capacidad nominal de la bureta.
[Nota—En los casos en que se requiera menos de 10 mL de solución volumétrica, se debe utilizar una microbureta adecuada.]
La aproximación al punto final se hace directamente pero con cuidado, y finalmente la solución volumétrica se agrega gota a gota desde la
bureta para que la última gota no sobrepase el punto final. La cantidad de sustancia valorada se puede calcular a partir del volumen, el factor
de normalidad o molaridad de la solución volumétrica, y el factor de equivalencia de la sustancia que se especifica en la monografía
correspondiente.
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VALORACIONES VOLUMÉTRICAS RESIDUALES
Algunas valoraciones farmacopeicas requieren la adición de un volumen determinado de una solución volumétrica, en exceso del necesario
para reaccionar con la sustancia a valorar. Después, el excedente de esta solución se valora con una segunda solución volumétrica. Esto
constituye una volumetría residual y también se conoce como “retrovaloración” o “valoración por retorno”. La cantidad de la sustancia valorada
se puede calcular a partir de la diferencia entre el volumen de la solución volumétrica que se agregó originalmente corregida por medio de una
valoración con un blanco y el consumido por la solución volumétrica en la retrovaloración, teniendo en cuenta los respectivos factores de
molaridad o normalidad de las dos soluciones y el factor de equivalencia para la sustancia indicado en la monografía correspondiente.
VALORACIONES COMPLEJOMÉTRICAS
El éxito de las valoraciones complejométricas depende de varios factores. La constante de equilibrio de formación del complejo del reactivo
en la solución volumétrica-analito debe ser lo suficientemente grande como para que, en el punto final, casi el 100% del analito haya formado el
complejo. El complejo final se debe formar lo suficientemente rápido para que el tiempo de análisis sea práctico. Cuando la reacción analítica
no es rápida, algunas veces puede resultar útil realizar una volumetría residual.
En general, los indicadores para valoraciones complejométricas son en sí mismos agentes formadores de complejos. La reacción entre el ión
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metálico y el indicador debe ser rápida y reversible. La constante de equilibrio de formación del complejo metal-indicador debe ser lo
suficientemente grande como para producir un cambio de color marcado pero debe ser menor que la correspondiente al complejo metalvalorante. La elección del indicador también está limitada por el intervalo de pH en el que se debe efectuar la reacción de formación del
complejo y por la interferencia de otros iones presentes en la muestra o de la solución amortiguadora. Los iones que interfieren, a menudo se
pueden enmascarar o “secuestrar” mediante la adición de otro agente formador de complejos. (La técnica de enmascaramiento también se usa
en las valoraciones redox).
VALORACIONES POR ÓXIDO-REDUCCIÓN (REDOX)
Con frecuencia, se pueden llevar a cabo determinaciones de manera conveniente mediante el uso de un reactivo que provoque la oxidación o
la reducción del analito. Muchas curvas de valoración redox no son simétricas respecto al punto de equivalencia y, de ese modo, no es posible
la determinación gráfica del punto final; pero se dispone de indicadores para muchas determinaciones y además, frecuentemente los reactivos
redox pueden servir como sus propios indicadores. Igual que en cualquier tipo de volumetría, el indicador ideal cambia de color en un punto
final que está lo más próximo posible al punto de equivalencia. En consecuencia, cuando la solución volumétrica sirve como su propio
indicador, la diferencia entre el punto final y el punto de equivalencia solo está determinada por la habilidad del analista para detectar el cambio
de color. Un ejemplo común es el uso del ión permanganato como componente de una solución volumétrica de oxidación ya que un leve
exceso se puede detectar por su color rosado. Otras soluciones volumétricas que pueden servir como sus propios indicadores son el yodo, las
sales de cerio (IV) y el dicromato de potasio. En la mayoría de los casos, sin embargo, el uso de un indicador redox producirá un punto final
mucho más marcado.
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Puede ser necesario ajustar el estado de oxidación del analito antes de la volumetría mediante el uso de un agente oxidante o reductor
adecuado; después, el exceso de reactivo se debe eliminar, por ejemplo, mediante precipitación. Esta es casi siempre la práctica habitual en la
determinación de agentes oxidantes, ya que la mayoría de soluciones volumétricas de agentes reductores son oxidadas lentamente por el
oxígeno atmosférico.
VALORACIONES VOLUMÉTRICAS EN DISOLVENTES NO ACUOSOS
Los ácidos y las bases han sido definidas durante mucho tiempo como sustancias que cuando se disuelven en agua, proporcionan iones de
hidrógeno e hidroxilo, respectivamente. Esta definición, introducida por Arrhenius, no reconoce el hecho de que propiedades características de
los ácidos o las bases también se pueden desarrollar en otros disolventes. Una definición más generalizada es la de Brönsted, quien definió un
ácido como una sustancia que proporciona protones y una base como una sustancia que se combina con protones. Una definición aún más
amplia es la de Lewis, quien definió un ácido como cualquier sustancia que acepta un par de electrones, una base como cualquier sustancia
que dona un par de electrones y la neutralización como la formación de una unión de coordinación entre un ácido y una base.
La fuerza aparente de un ácido o una base se determina por su grado de reacción con un disolvente. En solución acuosa todos los ácidos
fuertes parecen ser igualmente fuertes porque reaccionan con el disolvente para sufrir una conversión casi completa en el ión oxonio y el anión
del ácido (efecto nivelador). En un disolvente débilmente protófilo como el ácido acético, el grado de formación del ión acidonio del acetato,
indica que el orden decreciente de la fuerza para ácidos es perclórico, bromhídrico, sulfúrico, clorhídrico y nítrico (efecto diferenciador).
El ácido acético reacciona de forma incompleta con el agua para formar ión oxonio y por lo tanto es un ácido débil. En contraste, se disuelve
en una base como etilendiamina y reacciona en forma tan completa con el disolvente que se comporta como un ácido fuerte. Lo mismo es
válido para el ácido perclórico.
Este efecto nivelador también se observa en el caso de las bases. En ácido sulfúrico, casi todas las bases parecen tener la misma fuerza. A
medida que las propiedades del disolvente disminuyen en la serie constituida por ácido sulfúrico, ácido acético, fenol, agua, piridina y
butilamina, las bases se vuelven progresivamente más débiles hasta que todas, excepto las más fuertes, pierden sus propiedades básicas. En
orden de fuerza decreciente, las bases más fuertes son 2-aminoetóxido de sodio, metóxido de potasio, metóxido de sodio y metóxido de litio.
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Muchos compuestos insolubles en agua adquieren mejores propiedades ácidas o básicas cuando se disuelven en disolventes orgánicos. De
esta manera, la elección del disolvente adecuado permite la determinación de una variedad de tales sustancias mediante valoración en medios
no acuosos. Además, dependiendo de cual sea la parte fisiológicamente activa del compuesto, con frecuencia es posible valorarla
selectivamente, eligiendo el disolvente y el valorante adecuados. Los compuestos puros se pueden valorar directamente, pero en preparaciones
farmacéuticas a menudo es necesario aislar el ingrediente activo de los excipientes y vehículos que interfieran.
Entre los tipos de compuestos que se pueden valorar como ácidos están los ácidos de haluros, anhídridos de ácidos, ácidos carboxílicos,
aminoácidos, enoles como barbituratos y xantinas, imidas, fenoles, pirroles y sulfonamidas. Entre los tipos de compuestos que se pueden
valorar como bases están las aminas, compuestos heterocíclicos que contienen nitrógeno, oxazolinas, compuestos de amonio cuaternario,
sales alcalinas de ácidos orgánicos, sales alcalinas de ácidos inorgánicos débiles y algunas sales de aminas. Muchas sales de ácidos
halogenados se pueden valorar en ácido acético o anhídrido acético después de agregar acetato de mercurio, que elimina iones haluros
formando un complejo de halógeno-mercurio sin ionizar e introduce el acetato ionizado.
Para la volumetría de un compuesto básico se prefiere una solución volumétrica de ácido perclórico en ácido acético glacial, aunque en
casos especiales se usa ácido perclórico en dioxano. El sistema de electrodos de vidrio-calomel resulta útil en este caso. En ácido acético
como disolvente, este sistema de electrodos funciona de acuerdo con la teoría.
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Para la volumetría de un compuesto ácido, se dispone de dos clases de soluciones volumétricas: los alcóxidos de metales alcalinos y los
hidróxidos de tetraalquilamonio. Con frecuencia se usa una solución volumétrica de metóxido de sodio en una mezcla de metanol y tolueno,
aunque en algunos casos, cuando se produce un precipitado gelatinoso con el metóxido de sodio, se emplea metóxido de litio en un disolvente
de metanol-benceno.
Cuando se emplean soluciones volumétricas de alcóxidos de metales alcalinos se produce un error alcalino que limita el empleo de un
electrodo de vidrio, en particular en disolventes básicos. El electrodo indicador de antimonio, aunque algo errático, resulta útil en estos casos.
El uso de hidróxidos de amonio cuaternario, por ej., el hidróxido de tetra-n-butilamonio y el hidróxido de trimetilhexadecilamonio (en bencenometanol o alcohol isopropílico), presenta dos ventajas sobre las otras dos soluciones volumétricas: (a) la sal de tetraalquilamonio del ácido
valorado es soluble en el medio de valoración y (b) se puede emplear un par de electrodos de vidrio calomel, de uso corriente en la mayoría de
los laboratorios analíticos, para llevar a cabo valoraciones volumétricas potenciométricas.
Debido a la interferencia producida por el dióxido de carbono, los disolventes empleados en la valoración de sustancias ácidas se deben
proteger de la exposición excesiva al aire atmosférico durante la valoración mediante una protección adecuada o una atmósfera inerte. La
absorción de dióxido de carbono se puede determinar mediante la volumetría con un blanco. El blanco no debe exceder más de 0,01 mL de
metóxido de sodio SV 0,1 N por mL de disolvente.
El punto final se puede determinar visualmente por el cambio de color de un indicador, o potenciométricamente, según se especifique en la
monografía correspondiente. Si se usa un electrodo de calomel como referencia, es recomendable sustituir la solución acuosa de cloruro de
potasio del puente salino con perclorato de litio 0,1 N en ácido acético glacial para valoraciones en disolventes ácidos o cloruro de potasio en
metanol para valoraciones en disolventes básicos.
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Cuando en la monografía correspondiente se indica el uso de estas u otras mezclas, el electrodo de calomel de referencia se modifica
retirando en primer lugar la solución acuosa de cloruro de potasio y el cloruro de potasio residual, si lo hubiera, enjuagando con agua y luego
eliminando el agua residual enjuagando con el disolvente no acuoso indicado y finalmente, llenando el electrodo con la mezcla no acuosa
indicada.
En casi todos los casos, excepto en aquellos en los que el ión de plata podría interferir, el electrodo de calomel se puede sustituir por un
electrodo de referencia de plata-cloruro de plata. El electrodo de plata-cloruro de plata es más resistente y su uso ayuda a eliminar sales de
mercurio tóxicas del laboratorio. En general se puede utilizar un puente salino para evitar la interferencia del ión plata.
Los sistemas más útiles para volumetría en disolventes no acuosos se indican en la Tabla 1.
Tabla 1. Sistemas para Valoraciones Volumétricas No Acuosas
Relativamente Neutro
Tipo de
Ácido (para valoración
(para valoración
Disolvente
de bases y sus sales)
diferencial de bases)
de ácidos)
(para valoración
diferencial de ácidos)
Ácido acético glacial
Acetonitrilo
Dimetilformamida
Acetona
Anhídrido acético
Alcoholes
n-Butilamina
Acetonitrilo
Ácido fórmico
Cloroformo
Piridina
Metil etil cetona
Ácido propiónico
Benceno
Etilendiamina
Metil isobutil cetona
Cloruro de sulfurilo
Tolueno
Morfolina
Alcohol terc-butílico
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Disolvente1
Relativamente Neutro
Básico (para valoración
Clorobenceno
Acetato de etilo
Indicador
Cristal violeta
Rojo de metilo
Azul de timol
Azo violeta
Rojo de quinaldina
Naranja de metilo
Timolftaleína
Azul de bromotimol
p-Naftolbenceína
p-Naftolbenceína
Azo violeta
p-Hidroxiazobenceno
Alfazurina 2-G
o-Nitroanilina
Azul de timol
O
Dioxano
p-Hidroxiazobenceno
Verde de malaquita
Electrodos
Vidrio–calomel
Vidrio–calomel
Antimonio–calomel
Antimonio–calomel
Vidrio–plata–cloruro de
Calomel–plata–cloruro
Antimonio–vidrio
Vidrio–calomel
plata
de plata
Antimonio–antimonio2
Vidrio–platino2
Mercurio–acetato
mercúrico
Platino–calomel
Vidrio–calomel
1
Los disolventes relativamente neutros de baja constante dieléctrica como benceno, tolueno, cloroformo o dioxano se pueden emplear
junto con cualquier disolvente ácido o básico para aumentar la sensibilidad del punto final de la valoración.
2
En solución volumétrica.
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INDICADORES Y DETECCIÓN POTENCIOMÉTRICA DEL PUNTO FINAL
El método más simple y conveniente para determinar el punto de equivalencia, es decir, el punto en el que la reacción analítica
estequiométrica está terminada, es mediante el uso de indicadores. Estas sustancias químicas, generalmente coloreadas, responden a
cambios en la solución antes y después del punto de equivalencia presentando cambios de color que se pueden detectar visualmente como el
punto final de la reacción, lo que constituye una estimación confiable del punto de equivalencia.
Un método útil de determinación del punto final es mediante mediciones electroquímicas. Si un electrodo indicador, sensible a la
concentración de la especie sometida a la reacción volumétrica y un electrodo de referencia cuyo potencial no es sensible a ninguna especie
disuelta, se sumergen en la solución a valorar para formar una celda galvánica, la diferencia de potencial entre los electrodos se puede medir
con un medidor de pH que permite seguir el curso de la reacción. Cuando es posible graficar correctamente dichas series de cambios (por
ejemplo, para el caso de una valoración ácido-base, el pH en función de los mL de solución volumétrica agregada; para valoraciones de
precipitación, complejométricas o de óxido-reducción, los mV en función de los mL de solución volumétrica agregada), se obtiene una curva
sigmoidea con una porción que cambia rápidamente (punto de “ruptura”) cerca del punto de equivalencia. El punto medio de esta porción
vertical o punto de inflexión se puede considerar como punto final. El punto de equivalencia también se puede determinar matemáticamente sin
trazar una curva de valoración. Sin embargo, se debe tener en cuenta que en reacciones asimétricas en las que el número de aniones que
reaccionan no es igual al número de cationes que reaccionan, el punto final definido por la inflexión de la curva de volumetría no ocurre
exactamente en el punto de equivalencia estequiométrico. En consecuencia, la detección potenciométrica del punto final mediante este
método no es adecuada para reacciones asimétricas, como por ejemplo la reacción de precipitación,
2Ag+ + CrO4–2
y la reacción de óxido-reducción,
5Fe+2 + MnO4–.
Todas las reacciones ácido-base, sin embargo, son simétricas. De este modo, la detección potenciométrica del punto final se puede emplear en
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valoraciones volumétricas ácido-base y en otras valoraciones volumétricas que comprendan reacciones simétricas reversibles donde se
especifique un indicador, a menos que se indique lo contrario en la monografía correspondiente.
Existen dos tipos de tituladores electrométricos. El primero agrega la solución volumétrica automáticamente y registra las diferencias de
potencial del electrodo durante el curso de la titulación dando la curva sigmoidea esperada. En el segundo tipo, el agregado de solución
volumétrica se lleva a cabo automáticamente hasta que se alcanza un potencial o pH preseleccionado, que representa el punto final y en ese
momento cesa el agregado de solución volumétrica.
Varios sistemas de electrodos, apropiados para valoraciones volumétricas potenciométricas, se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2. Sistemas de Electrodos para Valoraciones Volumétricas Potenciométricas
Valoración
Ácido-base
Precipitimetría (plata)
Ecuación1
Electrodo de referencia
E = k + 0,0591 pH
Calomel o plata–cloruro
Valoración volumétrica
de plata
de ácidos y bases
Calomel (con puente sa-
Valoración volumétrica
lino de nitrato de potasio)
con plata o de plata que
Electrodo indicador
Vidrio
O
volumétrica
Plata
E = E° + 0,0591 log [Ag+]
Aplicaciones2
comprende haluros o
tiocianatos
Complejometría
Mercurio–mercurio (II)
E = E° + 0,0296(log k′−
Calomel
pM)
Valoración volumétrica
de diversos metales (M),
p. ej., Mg+2, Ca+2, Al+3,
Bi+3, con EDTA
Óxido–reducción
Platino
E = E° + (0,0591/n) × log
Calomel o plata–cloruro
Valoraciones volumétri-
[ox]/[red]
de plata
cas con arsenito, bromo,
cerato, dicromato, hexacianoferrato (III), yodato,
nitrito, permanganato,
tiosulfato
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Forma apropiada de la ecuación de Nernst que describe el sistema de electrodos indicado: k = constante del electrodo de vidrio; k′ =
constante derivada del equilibrio Hg–Hg(II)–EDTA; M = cualquier metal que se pueda valorar con EDTA; [ox] y [red] de la ecuación, ox + ne ⇄
red.
2
La lista es representativa pero no está completa.
CORRECCIONES CON UN BLANCO
Como se hizo notar anteriormente, el punto final determinado en una volumetría es una estimación del punto de equivalencia de la reacción.
La validez de esta estimación depende, entre otros factores, de la naturaleza de las sustancias a valorar y de la concentración de la solución
volumétrica. Para aumentar la confiabilidad de la determinación del punto final en valoraciones volumétricas, se realiza una corrección con un
blanco adecuado. Dicha corrección con un blanco se obtiene habitualmente mediante una valoración residual del blanco, en la que el
procedimiento indicado se repite en todos los detalles excepto que la muestra en análisis se omite. En tales casos, el volumen real de solución
volumétrica, equivalente a la sustancia analizada, es la diferencia entre el volumen consumido en la valoración residual del blanco y el
consumido en la valoración de la muestra. El volumen corregido que se obtiene de esta manera se utiliza para calcular la cantidad de sustancia
valorada, de la misma manera que se indica en Valoraciones volumétricas residuales. Cuando el punto final se determina
potenciométricamente, la corrección del blanco en general es inapreciable.
Información auxiliar - Por
favor visite la sección de preguntas más frecuentes antes de comunicarse con la USP.
Persona de contacto
Comité de expertos
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Yang Liu
GCCA2020 General Chapters - Chemical
Manager, Product Quality and Analytical Methods
Analysis 2020
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Tema/Pregunta
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Foro Farmacopeico: No. de Volumen 48(5)
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DOI: https://doi.org/10.31003/USPNF_M99300_01_02
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