Qual dos compostos a seguir seria o mais indicado para preparar uma solução tampão em pH 5

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Ol�via Brito de Oliveira Moreira; Larissa dos Anjos Castro; Marcone Augusto Leal de Oliveira*

Departamento de Qu�mica, Instituto de Ci�ncias Exatas, Universidade Federal de Juiz de Fora. 36036-900, Juiz de Fora - MG, Brasil

INTRODU��O

Por defini��o, tamp�es s�o solu��es aquosas cujo potencial hidrogeni�nico (pH) tende a permanecer constante quando submetidos � dilui��o ou � adi��o de pequenas quantidades de �cidos ou bases, fortes ou fracos. S�o caracterizados por serem solu��es preparadas a partir da mistura de um �cido fraco e sua base conjugada ou de uma base fraca e seu �cido conjugado.1-4 As aplica��es das solu��es tamp�o s�o fundamentais e abrangentes em diversas �reas do conhecimento como, por exemplo, farmac�utica, aliment�cia, biol�gica, qu�mica, m�dica, cl�nica e ambiental.1,4

Um bom exemplo da atua��o de solu��es tamp�o s�o os processos bioqu�micos que ocorrem nos organismos. Todas as rea��es envolvidas s�o dependentes do pH, ou seja, a aus�ncia do tamponamento do meio pode provocar uma grande altera��o do sistema. Nesse sentido, o controle do pH se torna muitas vezes imprescind�vel e, por isso, os tecidos de plantas e o sangue s�o excelentes exemplos a serem considerados.1,5

Diversos seguimentos da ind�stria tamb�m fazem uso de sistemas tamp�es em seus processos. Na produ��o de f�rmacos, por exemplo, o controle do pH � uma das estrat�gias para que a formula��o seja produzida no doseamento desejado. J� na ind�stria aliment�cia, � comum o uso de tamp�es com a fun��o de agente conservante direcionado a evitar a deteriora��o dos produtos por bact�rias.2,5,6

Para alguns prop�sitos, tamb�m � considerada a for�a i�nica da solu��o, que apesar de sua import�ncia, por muitas vezes � negligenciada.7-9 A for�a i�nica � a medida da concentra��o total de �ons em solu��o e � uma grandeza que influencia diretamente alguns fen�menos qu�micos.4,10 Por exemplo, a for�a i�nica pode influenciar o pH do solo,11 os processos de adsor��o de biomol�culas como as prote�nas12-16 e solubilidade de compostos org�nicos.17,18 Consequentemente, o controle da for�a i�nica entre estes e outros sistemas � essencial.19

Devido � relev�ncia, o preparo de solu��es tamp�o � um assunto inerente � ementa de cursos universit�rios que envolvem conhecimentos de qu�mica, farm�cia, bioqu�mica, biologia e biomedicina. De acordo com Caldwell et al., � desej�vel que os egressos destes cursos adquiram conhecimento e experi�ncia necess�rios sobre o assunto, bem como, se tornem proficientes no preparo de solu��es tamp�o.20,21

No entanto, em alguns casos, os c�lculos referentes ao preparo de solu��es tamp�o, com ou sem ajuste de for�a i�nica, podem ser considerados complicados, principalmente em sistemas complexos e que envolvem �cidos polipr�ticos e sais com �nions polivalentes, por exemplo.

Dentro desse contexto, acredita-se que este artigo poder� ser de grande utilidade para docentes, discentes de gradua��o e p�s graduandos, bem como para qualquer profissional que necessite preparar uma solu��o tamp�o para determinado fim. Adicionalmente, poder� servir tamb�m como um material complementar, de consulta ou de estudos para aqueles interessados em adquirir maiores informa��es sobre o tema. Nesse sentido, os autores deste trabalho t�m como objetivo principal divulgar o software PeakMaster®, o qual foi constru�do com ferramentas simples, r�pidas, eficazes e eficientes, como um mecanismo opcional para o c�lculo do preparo de solu��es tamp�o. O PeakMaster® � um software gratuito desenvolvido pelo grupo de pesquisa da Faculdade de Ci�ncias da Charles University, liderado pelo Prof. Dr. Bohuslav Gas.22,23 O programa computacional � voltado, a priori, para simula��o de condi��es experimentais imanentes a t�cnica de eletroforese capilar. Por�m, entre os comandos dispon�veis no software, existe a possibilidade de realizar c�lculos envolvendo pH, for�a i�nica e capacidade tamponante de solu��es tamp�o a partir de um portif�lio amplo de combina��es de reagentes.

EXPERIMENTAL

Software

O PeakMaster® � um software disponibilizado gratuitamente nas vers�es 5.3 e 5.4 pela plataforma https://web.natur.cuni.cz/gas/peakmaster.html. Caso haja interesse no aprofundamento dos recursos do software, um guia tamb�m � disponibilizado gratuitamente na plataforma https://echmet.natur.cuni.cz/software/peakmaster.

Neste trabalho, ser�o apresentados alguns recursos do PeakMaster®, relacionando as informa��es necess�rias para o preparo de solu��es tamp�o com ou sem ajuste de for�a i�nica. Com o aux�lio do software, o usu�rio poder� (a) calcular o pH de solu��es com concentra��es conhecidas; (b) determinar as concentra��es dos reagentes necess�rios para o preparo de uma solu��o tamp�o; (c) obter valor da capacidade tamponante; (d) calcular a for�a i�nica de qualquer solu��o de concentra��o conhecida.

Aliado ao PeakMaster®, alguns c�lculos simples tamb�m ser�o explicitados na inten��o de fornecer um protocolo aos interessados em preparar uma solu��o tamp�o.

FUNDAMENTOS TE�RICOS

Solu��o tamp�o

A solu��o tamp�o � um recurso utilizado com o objetivo de manter o pH de um sistema de interesse constante, dentro de um intervalo de varia��o restrito. Tamp�es consistem da mistura de um �cido fraco (doador de pr�tons) e sua base conjugada (aceptor de pr�tons), ou da mistura de uma base fraca e seu �cido conjugado segundo defini��o de �cido-base de Br�nsted-Lowry. Sob outra perspectiva, considerando o conceito de �cido e base mais abrangente definido por Lewis, o tamp�o pode ser constituido pela mistura de um �cido fraco (receptor de par de el�trons) e sua base conjugada (doadora de par de el�trons), ou da mistura de uma base fraca e seu �cido conjugado.2-4

Ao adicionarmos um �cido a um sistema tamponado, este ser� consumido pela base conjugada que comp�e o tamp�o. Analogamente, ao ser adicionada uma base forte ao sistema, esta reagir� com a esp�cie �cida do tamp�o. Mesmo com essas perturba��es provocadas ao sistema, o equil�brio qu�mico � deslocado seguindo o princ�pio de Le Ch�telier ("A aplica��o de uma perturba��o em um sistema qu�mico em equil�brio resultar� em uma mudan�a na posi��o do equil�brio no sentido de minimizar o efeito da perturba��o")3 e, dessa forma, n�o h� altera��es significativas no valor do pH medido da solu��o.4

Por exemplo, um tamp�o muito utilizado � o sistema �cido ac�tico/acetato (CH3COOH/CH3COO-), descrito conforme a express�o de equil�brio 1:1,24

O equil�brio � representado por uma constante de equil�brio �cida (Ka), ou seja, a constante de ioniza��o, descrita segundo a equa��o 2:24

Ao analisar a equa��o 2, pode-se observar que as concentra��es do �cido ac�tico e a de sua base conjugada (acetato) podem ser relacionadas � concentra��o de H3O+. Nesse sentido, atrav�s do rearranjo alg�brico entre as concentra��es das esp�cies, pode-se descrever um modelo que possibilite o c�lculo te�rico preciso das concentra��es dos reagentes necess�rios para o preparo da solu��o tamp�o. Nessa l�gica, a equa��o Henderson-Hasselbalch, a qual foi constru�da para esse fim, nada mais � do que um rearranjo da constante de equil�brio em escala logar�tmica. A equa��o de Henderson-Hasselbalch � descrita conforme a express�o 3:2-4,24

em que pKa � o logaritimo da constante de equil�brio Ka, [A-] � a concentra��o da base conjugada e [HA] a concentra��o do �cido. A dedu��o da equa��o de Henderson-Hasselbalch para pH e pOH est� detalhada no material suplementar.

Para o sistema tamp�o (CH3COOH/CH3COO-), o preparo de uma solu��o utilizando, por exemplo, 50 mmol L-1 de uma solu��o de �cido ac�tico e 50 mmol L-1 de uma solu��o de acetato de s�dio (ou qualquer contra�on compat�vel), resultar� em uma solu��o tamp�o com concentra��o total de 100 mmol L-1 e pH muito pr�ximo de 4,74. De acordo com os c�lculos das express�es 4, 5 e 6:

Pergunta-se, o preparo da solu��o tamp�o pode ser realizado apenas a partir desses reagentes? A resposta �: n�o necessariamente! Suponha que no laborat�rio esteja dispon�vel apenas o �cido ac�tico, ou seja, n�o h� o bin�mio �cido ac�tico e acetato de s�dio. Isso n�o impede que o tamp�o seja preparado. Voltemos ao equil�brio qu�mico que representa o sistema tamp�o (CH3COOH/CH3COO-), que tamb�m pode ser escrito conforme a express�o de equil�brio 7:

Para o preparo do mesmo tamp�o com concentra��o total de 100 mmol L-1, podemos a partir de um volume de �cido ac�tico correspondente ao preparo de uma solu��o 100 mmol L-1, adicionar uma massa de uma base forte, como o hidr�xido de s�dio por exemplo, que corresponda a uma solu��o com concentra��o total de 50�mmol�L-1. A base adicionada reagir� de maneira equimolar com a metade da concentra��o do �cido ac�tico e desta forma, o equil�brio ser� deslocado em 50% no sentido da forma��o do acetato de s�dio, resultando em um sistema tamponado.

Analogamente, pode-se adicionar um �cido forte, como o �cido clor�drico (HCl), a uma massa de acetato de s�dio necess�ria para o preparo de uma solu��o 100 mmol L-1 e, dessa forma, deslocar o equil�brio no sentido de obter �cido ac�tico e acetato de s�dio em concentra��es equivalentes, resultando em um sistema tamponado. Portanto, n�o � apenas a partir dos reagentes que comp�em o equil�brio correspondente ao tamp�o desejado que a solu��o pode ser preparada. Com c�lculos precisos, � possivel controlar o sistema, ou seja, deslocar o equil�brio no sentido de interesse a partir dos reagentes dispon�veis no laborat�rio.

Capacidade tamponante

No exemplo apresentado, a priori, foi demonstrado o preparo de uma solu��o tamp�o com concentra��es iguais de �cido e base conjugada. Nesse caso, o pH � igual ao pKa e a solu��o tamp�o apresenta m�xima capacidade tamponante, a qual � a medida de quanto a solu��o resiste a adi��o de �cidos ou bases fortes. Na pr�tica, o valor da capacidade tamponante indica a quantidade de �cido ou base que pode ser adicionada sem a solu��o perder a natureza tamponante. � definida conforme a equa��o 8:4,25

em que Ca e Cb s�o as concentra��es molares de �cido e base necess�rios para produzir mudan�as em uma unidade de pH. Quanto maior for a capacidade tamponante, maior � a capacidade do tamp�o de resistir a adi��o de �cidos e/ou bases.4,25 A m�xima capacidade tamponante � o ponto em que a solu��o tamp�o sofre menos influ�ncia da adi��o de �cidos e/ou bases. � importante ressaltar que a capacidade de uma solu��o se comportar como um tamp�o tamb�m depende de sua concentra��o total. Se um tamp�o for muito dilu�do, ter� uma capacidade tamponante menor do que o mesmo volume de uma solu��o tamp�o mais concentrada.25 A capacidade da solu��o de se comportar como um tamp�o diminui � medida que a raz�o das concentra��es das esp�cies reagentes envolvidas torna-se menor do que 1. Em geral, uma solu��o tamp�o � eficiente dentro do intervalo de -1 ≤ pKa ≤ +1.2-4,24,25

Vale ressaltar ainda que algumas solu��es, apesar de apresentarem efeito tamponante, n�o s�o solu��es tamp�o por defini��o! Primeiramente, precisamos lembrar que a medida de pH � realizada de maneira indireta atrav�s de um pHmetro, o qual pode ser constru�do a partir do arranjo do eletrodo de membrana de vidro, sens�vel a atividade de �ons H+ em solu��o, com os eletrodos de refer�ncia interna e externa capazes de mediar processos redox.3 As informa��es compiladas do sistema eletroqu�mico, em conjunto com a aplica��o do conceito e fundamentos da equa��o de Nernst, resulta na informa��o da medida do pH. Logo, se adicionarmos certas quantidades de um �cido ou uma base forte a uma solu��o concentrada de hidr�xido de s�dio em pH igual a 13, por exemplo, a altera��o no valor do pH do meio n�o ser� significativa.

O entendimento do fato � muito simples. Caso seja adicionado um �cido � solu��o, os c�tions H+ ser�o consumidos por �nions OH- presentes na solu��o em concentra��es muito altas. Em contrapartida, caso seja adicionado uma base � solu��o, o incremento de �nions OH- � muito menor do que quantidade dos �nions OH- j� existente no sistema. Em ambos os casos, o valor nominal do pH registrado pelo pHmetro n�o sofrer� uma varia��o impactante.

Para n�o perder o foco da discuss�o, apenas � alertado a poss�vel ocorr�ncia dos erros �cidos ou alcalinos inerentes a medida de pH quando utilizado o eletrodo de membrana de vidro. Contudo, dentro da premissa da discuss�o aqui elencada, pode se concluir que, apesar de algumas solu��es n�o se tratarem de um sistema tamp�o propriamente dito, � observado o efeito tamponante.

For�a i�nica

Em alguns casos, � importante o preparo de uma solu��o tamponada com a for�a i�nica controlada. A for�a i�nica � uma grandeza definida conforme a equa��o 9:2-4

em que [A], [B] e [N] s�o as concentra��es das esp�cies i�nicas e Za, Zb e Zn suas respectivas cargas.

Supondo que seja necess�rio o preparo de uma solu��o tamp�o (CH3COOH/CH3COO-) com concentra��o total de 100 mmol L-1, pH 4,74 e for�a i�nica de 200 mmol L-1. Nesse caso, � preciso adicionar ao tamp�o uma certa quantidade de um sal sol�vel. Por exemplo, pode-se utilizar um sal de um c�tion monovalente (M+A-), como o cloreto de pot�ssio (KCl). Para inferir sobre a quantidade necess�ria a ser adicionada, inicialmente precisamos calcular a for�a i�nica apenas do tamp�o. Considerando que temos em solu��o acetato de s�dio a 50 mmol L-1 e que a concentra��o de H3O+ � muito menor do que a concentra��o das demais esp�cies (1,75x10-5 mol L-1 ≤ 0,05�mol L-1), portanto pode ser desconsiderada, a for�a i�nica do sistema pode ser calculada a partir da equa��o correspondente supracitada, conforme apresentado na express�o 10:

Aplicando-se os respectivos valores � express�o, de acordo com a express�o 11 temos:

A partir de uma subtra��o simples, pode-se calcular a concentra��o de um sal M+A- que deve ser adicionado para atingir a for�a i�nica requerida, conforme a express�o 12:

Logo, para atingir a for�a i�nica necess�ria sem alterar a concentra��o do tamp�o, � preciso adicionar uma massa de M+A- correspondente ao preparo de uma solu��o 150 mmol L-1. Recalculando a for�a i�nica j� considerando a adi��o de M+A-, de acordo com a express�o 13, temos:

Se n�o fosse necess�rio manter fixa a concentra��o do tamp�o, ela poderia ser modificada atrav�s da altera��o das concentra��es dos reagentes at� atingir a for�a i�nica desejada, desde que fosse mantida a propor��o entre �cido e base conjugada. Outro exemplo de ajuste de for�a i�nica utilizando sais de c�tions povilaventes � comentado no material suplementar.

C�lculo de massa e/ou volume dos reagentes selecionados para o tamp�o

Uma vez determinadas as concentra��es, a etapa posterior envolve o c�lculo das massas e dos volumes de reagentes a serem usados para o preparo da solu��o tamp�o. De modo geral, para concentra��es em mol L-1, de acordo com as equa��es 14, 15 e 16 temos que: 2,4

em que n � o n�mero de mols do reagente, MM � a massa molar, V � o volume total da solu��o tamp�o a ser preparada e m a massa do reagente a ser pesada.

Para reagentes em solu��o, a massa a ser calculada deve ser relacionada com a respectiva densidade, de modo a obter o volume a ser transferido, de acordo com a equa��o 17: 2,4

em que ρ � a densidade da solu��o, m a massa e V o volume do reagente a ser transferido.

� importante considerar ainda o grau de pureza de cada reagente. Caso desconsiderado, a solu��o tamp�o n�o ser� preparada de acordo com a concentra��o adequada e, consequentemente, n�o ser� ajustado o pH desejado. Por exemplo, supondo que deve ser preparada uma solu��o a partir de um reagente com 75% de pureza e ap�s a realiza��o dos c�lculos citados obteve-se um volume de 5 mL. Esse volume ser� necess�rio para atingir a concentra��o desejada? N�o! Logo, devemos considerar a pureza para corrigir o volume a ser usado, de acordo com a equa��o 18:

Uma vez que o reagente n�o apresenta 100% de pureza, para atingir a concentra��o necess�ria deve ser medido um volume maior do que o previamente calculado. Essa etapa de c�lculos � de grande import�ncia para o preparo inequ�voco de solu��es tamp�o ou procedimentos de qualquer natureza envolvendo quest�es estequiom�tricas.

USANDO O PEAKMASTER®

Os c�lculos envolvendo o preparo de solu��es tamp�o por muitas vezes n�o s�o simples, sobretudo na previs�o das concentra��es a serem usadas para atingir o pH necess�rio. Pensando nisso, a seguir ser� disponibilizado um guia pr�tico comentado de como fazer esses c�lculos usando o software PeakMaster®.

Interface do software

O PeakMaster® � um software desenvolvido para simular a separa��o de compostos em an�lises por eletroforese capilar (CE, Capillary Electrophoresis), considerando algumas condi��es experimentais. Dentre estas, est�o as caracter�sticas do eletr�lito utilizado, em geral, compostos por solu��es tamp�o com ou sem ajuste de for�a i�nica. De todas as ferramentas dispon�veis no software, ser�o aqui apresentados os recursos que permitem o c�lculo de pH, capacidade tamponante e for�a i�nica de solu��es. O software conta com um banco de dados com a compila��o de um amplo portf�lio de compostos e as respectivas informa��es de pKa, os quais podem ser usados para a prepara��o de solu��es tamp�o.

Caso seja necess�rio, pode-se ainda adicionar a esse banco de dados informa��es de novas mol�culas as quais poder�o ser utilizados nos c�lculos voltados para o preparo das solu��es de interesse. Os comandos a serem utilizados s�o simples e o software apresenta uma interface amig�vel e intuitiva. Ap�s a inser��o dos dados necess�rios nos campos adequados, � poss�vel acionar o comando para a realiza��o dos c�culos de maneira exata, sendo as informa��es dos resultados de pH, for�a i�nica e capacidade tamponante apresentados em um template de sa�da, conforme apresentado na Figura 1.

Inserindo dados para c�lculo

A maneira pragm�tica de inserir as informa��es necess�rias para obter os dados necess�rios para o preparo de um determinado tamp�o (Figura 1) requer alguns passos, s�o eles:

1. Inicialmente clicar no comando "+Add" da interface principal. A janela secund�ria "Add BGE constituent" ser� aberta, conforme a Figura 2.

2. Clicar em "Pick from database", selecionar o primeiro reagente constituinte da solu��o tamp�o desejada e clicar em "Pick"

3. Adicionar a concentra��o desejada do reagente selecionado na lacuna "C (mM)". Os valores de pKa aparecer�o automaticamente na lacuna correspondente.

4. Uma vez selecionado o primeiro componente, a opera��o deve ser repetida at� completar a composi��o da solu��o desejada.

5. A caixa "Ionic strength correction" da interface principal deve ser desmarcada.

6. Por fim, clicar no comando "Calculate".

Inserindo novos compostos � base de dados do software

Caso necess�rio, um novo composto pode ser adicionado ao banco de dados do PeakMaster®. Para isso, os passos requeridos s�o:

1. Abrir a janela "modify database" dentro do comando "Tools" da interface principal. Nesta, clicar em "+Add" para abrir a janela "Add constituent to database" conforme indicado na Figura 3.

2. Inserir o nome do composto desejado na lacuna correspondente.

3. Inserir o pKa na lacuna correspondente. Lembrando que as lacunas s�o organizadas para inser��o do pKa de acordo com a ordem de ioniza��o, ou seja, "pKa(-1)" corresponde � primeira ioniza��o, "pKa(-2)" � segunda ioniza��o, e assim sucessivamente.

4. Conforme comentado anteriormente, o PeakMaster® � um software desenvolvido prioritariamente para simula��o de experimentos a serem realizados por eletroforese capilar, logo, um dado importante para essa finalidade � a mobilidade eletrofor�tica, indicado no software como "(μ)". No caso de c�lculos voltados apenas para preparo de solu��o tamp�o esse dado n�o � relevante, por�m essa lacuna deve ser preenchida para completar o processo de inser��o de dados. Ent�o, na lacuna "μ" deve ser inserido qualquer n�mero positivo.

5. Para finalizar, clicar no comando "+Add" seguido de "OK". O novo componente j� estar� dispon�vel.

No exemplo indicado, foram inseridos o pKa na lacuna "pKa(-1)" e um n�mero positivo aleat�rio na lacuna da mobilidade "μ(-1)" para insers�o do �cido clor�drico (HCl) no banco de dados.26 �cidos fortes como o HCl s�o completamente dissociados em �gua, por isso s�o estimados valores de Ka tendendo ao infinito, consequentemente, valores negativos de pKa.4

C�lculo da concentra��o dos reagentes para o preparo de uma solu��o tamp�o

Supondo que seja necess�rio preparar uma solu��o tamp�o de pH 6,50. Nesse caso, poderia ser escolhido o sistema dihidrogenofosfato/hidrogenofosfato (NaH2PO4/Na2HPO4) (pKa 7,21). Como discutido anteriormente, quando pKa ≠ pH, o tamp�o n�o est� em sua m�xima capacidade tamponante, por�m, desde que esteja entre pKa � 1 ainda funciona eficientemente como um tamp�o. Destaca-se que a capacidade tamponante tamb�m � calculada pelo PeakMaster®.

Esse sistema pode ser otimizado de diferentes formas dependendo dos reagentes dispon�veis no laborat�rio, seja partindo do �cido fosf�rico (H3PO4) e de uma base forte como o hidr�xido de s�dio (NaOH), ou do fosfato de s�dio (Na3PO4) e de um �cido forte como o �cido clor�drico (HCl), ou diretamente da mistura dihidrogenofosfato de s�dio (NaH2PO4) com o hidrogenofosfato de s�dio (Na2HPO4) ou outro contra�on compat�vel.

No entanto, quais seriam as concentra��es necess�rias de cada um dos reagentes selecionados? Esse problema pode ser solucionado usando o PeakMaster®! De acordo com o passo-a-passo, o usu�rio pode inserir os reagentes dispon�veis com valores de concentra��es arbitr�rios e por m�todo de tentativa e erro ajustar tais concentra��es at� atingir o pH desejado.

A partir do �cido fosf�rico e do hidr�xido de s�dio

Por esse procedimento temos que a propor��o necess�ria para o preparo seria de, por exemplo, 100 mmol L-1 de �cido fosf�rico e 116,5 mmol L-1 de uma solu��o de hidr�xido de s�dio para obten��o de um tamp�o (NaH2PO4/Na2HPO4) com concentra��o total de 100 mmol L-1 e pH 6,5, de acordo com os resultados calculados pelo PeakMaster®, conforme apresentado na Figura 4.

Vale lembrar que, neste exemplo o tamp�o foi estabelecido ap�s o deslocamento de equil�brio do �cido fosf�rico at� o equilibrio correspondente ao tamp�o em quest�o, conforme o esquema:

No exemplo, a concentra��o total da solu��o tamp�o � de 100 mmol L-1, conforme os c�lculos da express�o 19:

Caso seja necess�rio preparar uma solu��o com concentra��o total menor ou maior, basta ajustar os valores da concentra��o de cada um dos reagentes, desde que seja mantido a mesma propor��o. Esses c�lculos tamb�m podem ser realizados e/ou conferidos inserindo os novos valores de concentra��o no PeakMaster® e acompanhando a resposta gerada.

A partir dos dihidrogenofosfato e hidrogenofosfato de s�dio

Por esse procedimento, temos que a propor��o necess�ria para o preparo seria de, por exemplo, uma massa de dihidrogenofosfato de s�dio correspondente a um solu��o 100 mmol L-1 e de uma massa de hidrogenofosfato de s�dio correspondente a uma solu��o 25 mmol L-1 para obten��o de um tamp�o (NaH2PO4/Na2HPO4) com concentra��o total de 125 mmol L-1 e pH 6,5, de acordo com os resultados calculados pelo PeakMaster®, conforme apresentado na Figura 5.

Nesse exemplo, ap�s dissocia��o dos sais em meio aquoso, o tamp�o � estabelecido diretamente pelo equil�brio correspondente ao mesmo, conforme o esquema:

No exemplo, a concentra��o total da solu��o tamp�o � de 125�mmol�L-1, conforme os c�lculos da express�o 20:

Vale lembrar que, para ser poss�vel o c�lculo dessa solu��o partindo desses reagentes usando o PeakMaster®, informa��es dos mesmos devem ser adicionados ao banco de dados do software. No entanto, nesse caso algumas considera��es devem ser feitas.

Primeiramente, devemos inserir na plataforma informa��es das esp�cies �cidas e/ou b�sicas que resultam da dissocia��o dos sais em quest�o e seus respectivos valores de pKa e/ou pKb. Destaca-se que assim deve ser feito sempre que o composto de interesse para o c�lculo � um sal. Lembre-se ainda que nesse caso a inten��o � controlar as concentra��es de compostos em diferentes dire��es de um mesmo equil�brio, sendo o dihidrogenofosfato a esp�cie �cida e o hidrogenofostafo sua base conjugada. Sendo assim, devemos inserir os compostos separamente de acordo com seu comportamento em solu��o para que c�lculo seja correto. Dessa forma:

Para isso, basta adicionar ao software as informa��es pertinentes do �cido, inserindo o valor de pKa na lacuna "pKa(-1)", bem como as informa��es da base conjugada, inserindo o valor de pKa na lacuna "pKa(+1)", de acordo com o procedimento de modifica��o de banco de dados descrito anteriormente. Assim, os dois compostos principais do tamp�o em quest�o estar�o dispon�veis para serem usados nos c�lculos. A dedu��o entre a rela��o de pKa e pKb est� detalhada no Material Suplementar.

A partir do fosfato de s�dio e do �cido clor�drico

Por esse procedimento temos que a propor��o necess�ria para o preparo seria de, por exemplo, uma massa de fosfato de s�dio correspondente a uma solu��o de 100 mmol L-1 e 116,5 mmol L-1 de uma solu��o de �cido clor�drico para obten��o de um tamp�o (NaH2PO4/Na2HPO4) com concentra��o total de 100 mmol L-1 e pH 6,5, de acordo com os resultados calculados pelo PeakMaster®, conforme apresentado na Figura 6.

Observe que no exemplo o tamp�o foi estabelecido ap�s o deslocamento do equil�brio do fosfato de s�dio at� o equil�brio correspondente ao tamp�o em quest�o, ou seja, adotamos o procedimento inverso do primeiro exemplo supracitado. Aqui, partimos das bases conjugadas e adicionamos um �cido forte para deslocamento de equil�brio, conforme o esquema:

No exemplo, a concentra��o total da solu��o tamp�o � de 100�mmol L-1, conforme o c�lculo da express�o 21:

Destaca-se que uma vez que estamos trabalhando com as rea��es inversas, ou seja, a partir das bases conjugadas, os valores de pKa tamb�m devem ser convertidos em valores de pKb para inser��o no banco de dados, conforme indicado tamb�m na Figura�6. Consequentemente, nesse caso estamos monitorando o pOH, logo, ao preencher as lacunas de concentra��o de reagente e prosseguir com o procedimento por tentativa e erro, deve-se buscar pelo valor do pOH, conforme a express�o 22:

A dedu��o entre a rela��o de pKa e pKb e pH e pOH est� detalhada no Material Suplementar.

Por fim, uma vez estabelecido os reagentes e as concentra��es de cada um destes, basta calcular os volumes e massas necess�rios para o preparo do tamp�o.

C�lculo do ajuste de for�a i�nica de uma solu��o tamp�o

Agora, vamos supor que seja necess�rio preparar uma solu��o tamp�o (Tris(hidroximetil)amino metano/HCl), ou resumidamente (Tris/HCl), de pH 8,0 com for�a i�nica de 100 mmol L-1. Fazendo os c�lculos pelo PeakMaster® temos que para o preparo dessa solu��o podemos adicionar uma massa de Tris para o preparo de uma solu��o 100 mmol L-1 e um volume de HCl para o preparo de uma solu��o 50 mmol L-1, conforme apresentado na Figura 7.

Desse modo, obtemos uma solu��o com for�a i�nica de 50�mmol�L-1, conforme calculado pelo software. Para atingirmos a for�a i�nica desejada, temos duas op��es:

(a) Ajustar a concentra��o dos reagentes mantendo a propor��o. Por exemplo, ao dobrarmos as concentra��es, adicionando uma massa de Tris para o preparo de uma solu��o 200 mmol L-1 e um volume de HCl para o preparo de uma solu��o 100 mmol L-1, obtemos uma nova solu��o tamp�o com concentra��o total de 200�mmol L-1 e for�a i�nica de 100 mmol L-1, como indicado na Figura�8.

(b) Adicionar uma massa de M+A-, por exemplo, para completar a concentra��o de �ons em solu��o. Nesse caso basta subtrair o valor da for�a i�nica desejado do valor atual. Desse modo, deve ser adicionado uma massa de KCl necess�ria para o preparo de uma solu��o 50 mmol L-1 e obteremos um tamp�o Tris/HCL com concentra��o total de 100 mmol L-1 e for�a i�nica de 100�mmol�L-1. Esse c�lculo tamb�m pode ser realizado e/ou conferido usando o PeakMaster®, conforme apresentado na Figura 9.

Vale lembrar que nesse exemplo temos um tamp�o preparado a partir de uma base fraca (TRIS) e seu �cido conjugado (TRISH+), cujo equil�brio � atingido em virtude da adi��o de um �cido forte, aqui exemplificado com o HCl, conforme a express�o do equil�brio 23:

Uma vez calculadas as concentra��es, basta calcular as respectivas massas e volumes dos reagentes, conforme comentado nos exemplos anteriores.

Esquema simplificado

De modo geral, acreditamos que os exemplos supracitados sejam suficientes para o usu�rio adquirir dom�nio no uso do software, bem como, entender os c�lculos e adquirir o know how neces�rio para mediar o preparo de uma solu��o tamp�o, com ou sem controle da for�a i�nica. Em resumo, as etapas dos c�lculos e demais considera��es a serem realizadas durante o procedimento completo de preparo de uma solu��o tamp�o est�o detalhadas no fluxograma da Figura 10.

Na Tabela 1 s�o listados alguns outros exemplos de tamp�es tradicionais e seus respectivos valores recomendados de concentra��o para o preparo a partir do �cido fraco principal e hidr�xido de s�dio (ou qualquer contra�on compat�vel), calculados usando o PeakMaster®. S�o apresentados, ainda, os valores de for�a i�nica, capacidade tamponante, al�m da massa de KCl a ser adicionada para ajuste de for�a i�nica nos valores de 0,5 mol L-1 e 1 mol L-1.

PREPARO DA SOLU��O

Ap�s obten��o dos valores de concentra��o, bem como das massas e volumes de reagentes necess�rios, a pr�xima etapa envolve o preparo da solu��o propriamente dita. Primeiramente, � importante ressaltar que o usu�rio deve planejar corretamente, revisar o procedimento e o seguir cuidadosamente. Al�m de utilizar vidrarias e demais instrumentos adequados, equipamentos de prote��o individual (EPIs) e proceder com aten��o e cautela, a fim de garantir que o procedimento seja realizado com seguran�a.27 Em seguida, as massas previstas dos reagentes s�lidos devem ser pesadas corretamente em uma balan�a anal�tica e os volumes devem ser transferidos atrav�s de uma pipeta volum�trica ou autom�tica devidamente calibrada. Lembre-se que, para evitar acidentes, os �cidos devem ser adicionados � �gua ou �s bases, e n�o o contr�rio. Uma vez solubilizados e adicionados todos os reagentes a um bal�o volum�trico adequado, deve-se verificar o pH e por fim completar o volume com �gua deionizada. Recomenda-se a verifica��o do pH da solu��o rec�m preparada em pHmetro contendo eletrodos para solu��es aquosas, de acordo as especifica��es de utiliza��o e manuten��o descritas pelo fabricante.

Note que pode haver sutis diferen�as entre o valor de pH registrado no potenciometro e o almejado, devido �s incertezas associadas principalmente �s constantes de equil�brio, � temperatura do ambiente e aos reagentes vol�teis, higrosc�pios e de pureza desconhecida. Lembre-se, ainda, que medidas potenciom�tricas de solu��es muito �cidas (pH em torno de 1) bem como solu��es muito alcalinas (pH em torno de 13) tamb�m t�m um erro associado, visto que nessas concentra��es os s�tios da superf�cie da membrana externa do eletrodo est�o saturados (com �ons H+ ou outro c�tion monovalente, como o Na+ no caso de solu��es altamente alcalinas), consequentemente, nesses casos n�o � poss�vel fazer uma medi��o precisa do pH.3,4 Uma vez verificado adequadamente o pH da solu��o, se necess�rio, o usu�rio pode ajust�-lo pela adi��o de al�quotas de solu��es concentradas de �cidos ou bases fortes.3

CONCLUS�ES

Neste trabalho foram disponibilizados alguns guias de como calcular os par�metros necess�rios para o preparo de uma solu��o tamp�o com ou sem ajuste da for�a i�nica. Atrav�s do software PeakMaster®, apresentado neste trabalho, o usu�rio ser� capaz de fazer c�lculos diversos relacionados ao pH, for�a i�nica, capacidade tamponante e concentra��es de reagentes de solu��es tamp�o. Espera-se que esse material seja uma fonte de conhecimento e esclarecimento de d�vidas para estudantes e demais pessoas com interesse no tema.

MATERIAL SUPLEMENTAR

As dedu��es da equa��o de Henderson-Hasselbach e das rela��es entre pKa, pKb, pH e pOH e o exemplo guiado do ajuste de for�a i�nica com sal de c�tion divalente, comentados anteriormente neste trabalho, est�o dispon�veis em http://quimicanova.sbq.org.br, na forma de arquivo PDF, com acesso livre.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem � Coordena��o de Aperfei�oamento de Pessoal de N�vel Superior (CAPES), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient�fico e Tecnol�gico - CNPq (Projetos 303355/2017-4 e 424032/2018-0), ao Instituto Nacional de Ci�ncia e Tecnologia de Bioanal�tica - INCTBio (Projetos FAPESP 2014/50867-3 e CNPq 465,389/2014-7), � Financiadora de Inova��o e Pesquisa - FINEP (Project CT-INFRA 01/2013-REF 0633/13) e � Rede Mineira de Qu�mica - RQ-MG (Projeto CEX.RED- 00010-14).Primeiro autor - Bolsista do CNPq Brasil (Processo 142502/2020-0).

REFER�NCIAS

1. Nelson, D. L.; Cox, M. M.; Princ�pios de bioqu�mica de Lehninger, 6� ed., Artmed: Porto Alegre, 2014.

2. Atkins, P.; Jones, L.; Princ�pios de qu�mica: Questionando a vida moderna e meio ambiente, 5� ed., Bookman: Porto Alegre, 2012.

3. Skoog, D. A.; West, D.; Holler, J. E.; Crouch, S. R.; Fundamentos de qu�mica anal�tica. Tradu��o da 8� edi��o Norte americana, Thomson: S�o Paulo, 2005.

4. Harris, D. C.; Quantitative Chemical Analysis, 8th ed., WH Freeman and Company: New York, 2010.

5. Fiorucii, A. R.; Soares, M. H. F. B.; Cavalheiro, E. T. G.; Quim. Nova Esc. 2001, 13, 18.

6. Johnson, J. L. H.; Yalkowsky, S. H.; AAPS PharmSciTech 2007, 7, 2.

7. Elving, P, J.; Markowitz, J. M.; Rosenthal, I.; Anal. Chem. 1956, 28, 1179.

8. Ellis, K. J.; Morrison, J. F.; Methods Enzymol. 1982, 87, 405.

9. Seymour, M. D.; Fernando, Q.; J. Chem. Educ. 1977, 54, 225.

10. Lambert, W. J.; J. Chem. Educ. 1990, 67, 150.

11. Richter, D. D.; Comer, P. J.; King, K. S.; Sawin, H. S.; Wright, D. S.; Soil Sci. Soc. Am. J. 1988, 52, 261.

12. Liu, J.; Wan, L.; Zhang, L.; Zhou, Q.; J. Colloid Interface Sci. 2011, 364, 490.

13. Parkes, M.; Myant, C.; Cann, P. M.; Wong, J. S. S.; Tribol. Int. 2014, 72, 108.

14. M�ller, J.; Schroer, M. A.; Erlkamp, M.; Grobelny, S.; Paulus, M.; Tiemeyr, S.; Wirkert, F. J.; Tolan, M.; Winter, R.; Biophys. J. 2012, 102, 2641.

15. Norby, J. G.; Esmann, M.; J. Gen. Physiol. 1997, 109, 555.

16. Jones, K. L.; O'melia, C. R.; J. Membr. Sci. 2000, 165, 31.

17. Willey, J. D.; J. Chem. Educ. 2004, 81, 1644.

18. Carvajal, M. T.; Yalkowsky, S.; AAPS PharmSciTech 2019, 124, 1.

19. Sabadini, E.; Carvalho, L. V. C.; Quim. Nova 2013, 36, 187.

20. Caldwel, B.; Rohlman, C.; Benore-parsons, M.; Biochem. Mol. Biol. Educ. 2004, 32, 11.

21. Orgill, M.; Sutherland, A.; Chem. Educ. Res. Pract. 2008, 9, 131.

22. Gas, B.; PeakMaster; Charles University, Czech Republic, 2011.

23. Gas, B.; Jaros, M.; Hruska, V.; Zuskova, I.; Sterdy, M.; CE Currents 2005, 18, 282.

24. Harvey, D.; Modern Analytical Chemistry, 1st ed., The Mc-Graw Hill Companies: USA, 2000.

25. Silva, C. R.; Simoni, J. A.; Quim. Nova 2000, 23, 405.

26. Trummal, A.; Lipping, L.; Kaljurand, I.; Koppel, I. A.; Leito, I.; J. Phys. Chem. A 2016, 120, 3663.

27. Brasil. Minist�rio da Ci�ncia e Tecnologia; Protocolo de seguran�a de aeross�is, solu��es aquosas e tecnologias - Laquatec, INPE: S�o Jos� dos Campos, 2011.

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