U6 - Las Disoluciones - PDF

Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico TEMA 6: LAS DISOLUCIONES MÓDULO Técnicas Generales de Laboratorio 1 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico CONTENIDOS: 1. Las disoluciones 2. La concentración de las disol...

Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico TEMA 6: LAS DISOLUCIONES MÓDULO Técnicas Generales de Laboratorio 1 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico CONTENIDOS: 1. Las disoluciones 2. La concentración de las disoluciones 3. La preparación de las disoluciones 4. Las diluciones 2 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 1. LAS DISOLUCIONES: Una disolución es una mezcla homogénea, de composición uniforme, cuyos componentes no pueden distinguirse a simple vista, ni con ayuda de un microscopio óptico. CONCEPTOS BÁSICOS PARA ENTENDER LAS DISOLUCIONES: ✓ Las disoluciones son un tipo de mezcla, por tanto, no se producirán reacciones químicas entre sus componentes. ✓ En las disoluciones identificamos dos componentes: 1- El disolvente → es el componente que tiene el mismo estado de agregación que la disolución, si ambos componentes tienen el mismo estado, será el que se encuentra en mayor proporción. 2- El soluto → es el componente que tiene un estado de agregación distinto a la disolución, si ambos componentes tienen el mismo estado, será el que se encuentra en menor proporción. ✓ Los componentes de las disoluciones pueden estar en distintos estados de agregación, pero el tipo más habitual es aquel en que el disolvente es líquido y el soluto es sólido o líquido. 3 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 1.1 La solubilidad: Las sustancias no se disuelven en igual medida en un mismo disolvente. Con el fin de poder comparar la capacidad que tiene un disolvente para disolver un producto dado, se utiliza una magnitud denominada solubilidad. La solubilidad de un soluto en un disolvente es la capacidad de disolver ese soluto que tiene el disolvente. La solubilidad, por tanto, nos informa de si es posible o no hacer una disolución con dos sustancias concretas. Así, diremos que el alcohol es soluble en agua, o que la vitamina D es soluble en aceite. ➢ Solido-líquido: Cuando mezclamos un sólido y un líquido, podemos obtener dos tipos de sistemas, dependiendo de la solubilidad: o Si el sólido es soluble en el líquido, obtenemos una disolución. o Si el sólido es insoluble en el líquido, obtendremos una suspensión. ➢ Líquido-liquido: Lo mismo sucede cuando mezclamos dos líquidos, aunque en este caso utilizamos una denominación distinta: - Si son solubles el uno en el otro decimos que son miscible, y su mezcla forma una disolución. - Si no son solubles el uno en el otro, decimos que son inmiscibles, y su mezcla forma una emulsión. 1.1.1 Coeficiente de solubilidad: Añadiendo soluto a un volumen dado de disolvente, se alcanza un punto a partir del cual la disolución ya no admite más soluto; y si añadimos más, ya no se disolverá, sino que, quedará una suspensión o se depositará en el fondo del recipiente. • El coeficiente de solubilidad es la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en 100g de o en 100 ml de un determinado disolvente, a una 4 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico temperatura establecida. Nos sirve para expresar la solubilidad en términos cuantitativos. Por ejemplo, el Coeficiente de solubilidad del bicarbonato sódico en agua a 20ºC es de 9,6 g/100ml; esto significa que la máxima cantidad de bicarbonato sódico que podemos disolver en 100 ml de agua a 20ºC es de 9,6g; cualquier cantidad inferior a 9,6 gramos se disolverá sin problema, pero si añadimos más, se depositará en el fondo del recipiente. 1.1.2 La saturación: Se distinguen, según el coeficiente de saturación: - Disolución Saturada: Es una disolución que contiene la cantidad máxima de soluto que puede admitir. Por ejemplo, una disolución de bicarbonato sódico en agua a 20ºC, será saturada cuando contenga 9.6g de bicarbonato sódico en 100ml de agua. - Disolución No Saturada: Es una disolución que aún puede disolver más soluto porque no ha alcanzado el coeficiente de solubilidad del soluto en el disolvente. En la disolución de bicarbonato sódico en agua, cualquier disolución a 20º C que contenga 100ml de agua y menos de 9,6 g de bicarbonato sódico, será no saturada. - Disolución Sobresaturada: Es una disolución inestable, ya que contiene más soluto que una disolución saturada, y el exceso de soluto tiende a precipitar. En la disolución de bicarbonato sódico en agua, cualquier disolución a 20 ºC que contenga 100ml de agua y más de 9,6 g de bicarbonato sódico será sobresaturada. IMPORTANTE: Para conseguir estas disoluciones se debe calentar el disolvente, agregar el soluto en exceso a temperatura elevada y dejar enfriar lentamente la disolución. 5 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 6 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 1.1.3 Curvas de solubilidad: Debemos tener en cuenta que la temperatura es un factor que afecta en gran medida a la solubilidad. Por ejemplo, el coeficiente de solubilidad del bicarbonato sódico en agua a temperatura ambiente (20ºC) es de 9,6g por 100 g de agua; pero cuando la temperatura es mayor, a 60ºC, el coeficiente de solubilidad es pasa a ser 16,4 g por 100 g de agua. Por ejemplo, en la gráfica vemos el KCl, que: - A 20º C la disolución admitirá unos 33 g de KCl. - A 80º C la disolución admitirá unos 50 g de KCl. Hay algunas excepciones, en las cuales la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura, como es el caso de las disoluciones acuosas de sulfato de Cesio → Ce2(SO4). Por tanto, una sustancia, tendrá diferentes coeficientes de solubilidad a diferentes temperaturas, de ahí que siempre que hablemos de solubilidad de una sustancia, además 7 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico del disolvente debemos especificar la temperatura. • La evolución de los coeficientes de solubilidad con la temperatura se estudia mediante → curvas de solubilidad → es la representación gráfica de la variación del coeficiente de solubilidad de una disolución en función de la temperatura. Por norma general, las curvas son crecientes, aunque con distinta pendiente, ya que, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la solubilidad, dependiendo del tipo de compuesto. Temperatura Solubilidad Esto significa que la disolución admite cada vez menos soluto a medida que se enfría, y que este va precipitando. Pero existe la posibilidad de hacer un enfriamiento lento y conseguir que parte del soluto que debía depositarse se mantenga en disolución, con lo cual se obtiene una disolución sobresaturada. 1.2 Propiedades Coligativas de las Disoluciones: Algunas propiedades de las disoluciones, como el olor o sabor, dependen de la naturaleza del soluto y del disolvente. Otras, no guardan ninguna relación con ni con el tamaño ni con cualquier otra propiedad de los solutos, sino que sólo son función del número de partículas presentes. Se llaman propiedades coligativas y son cuatro: • Punto de ebullición. • Punto de congelación. • Presión de vapor. • Presión osmótica. 8 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 1.2.1 PUNTO DE EBULLICIÓN: Es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a gaseosa de forma repentina. El punto de ebullición de una disolución es mayor que el disolvente puro. El aumento es directamente proporcional a la concentración de soluto. 1.2.2 PUNTO DE CONGELACIÓN: Es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a sólido de forma repentina. El punto de congelación de una disolución es menor que el disolvente puro. La disminución es directamente proporcional a la concentración de soluto. 1.2.3 PRESIÓN DE VAPOR (O LEY DE RAOULT): La presión de vapor de un líquido en un recipiente cerrado es la presión que ejerce el vapor cuando alcanza el equilibrio con la condensación a una determinada temperatura. Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución siempre es menor que la del disolvente puro. 1.2.4 PRESIÓN OSMÓTICA: Cuando separamos dos disoluciones de diferentes concentraciones mediante una membrana semipermeable que sólo deje pasar el disolvente, observamos que se produce un paso del disolvente desde la disolución más diluida a la más concentrada, para igualar las concentraciones a ambos lados de la membrana. Este proceso se conoce como ósmosis. La presión osmótica es la presión ejercida por el aumento del volumen de la disolución concentrada. 9 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico El aumento de la presión osmótica es directamente proporcional a la concentración de la disolución. Si comparamos la presión osmótica de dos disoluciones, podemos definir tres tipos de disoluciones: 1- Disoluciones Isotónicas: Son las que tienen la misma presión osmótica que la disolución de referencia. 2- Disoluciones Hipotónicas: Son las que tienen menor presión osmótica que la disolución de referencia. 3- Disoluciones Hipertónicas: Son las que tienen mayor presión osmótica que la disolución de referencia. Estos conceptos resultan esenciales en fisiología, ya que las membranas fisiológicas se comportan como membranas semipermeables, y la presión osmótica ejercida por la diferente concentración del líquido intracelular con respecto al extracelular condiciona el paso de agua a través de ella. Ejemplo: La membrana del eritrocito permite el paso de agua, pero no de las sales. En un medio isotónico (el medio tiene la misma presión osmótica que en el interior de la célula) el eritrocito permanece estable, en cambio: 10 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico - Si introducimos un eritrocito en medio hipotónico (con agua destilada), el agua atravesará la membrana del eritrocito y penetrará en su citoplasma; este proceso provocara un aumento del volumen celular y una distensión de la membrana, que acabará dando lugar a una lisis celular. - Si introducimos un eritrocito en medio hipertónico, el agua del eritrocito atravesará la membrana y saldrá hacia el medio externo, lo que provocará una disminución del volumen celular y una retracción de la membrana, dando lugar a lisis celular. 11 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 2. LA CONCENTRACIÓN DE LAS DISOLUCIONES La concentración de una disolución es la cantidad de soluto que hay en una determinada cantidad de disolución o disolvente. La concentración determina muchas de las características de las disoluciones y es imprescindible saber expresarla con corrección. 2.1 Formas de expresar la concentración: En la tabla, se recogen las distintas formas de expresar la concentración: En todos los casos se deben hacer los cálculos prestando mucha atención a las unidades (las que corresponden a la expresión de la concentración, de los instrumentos o equipos de medición), para no cometer errores. Además, es habitual expresar la concentración directamente, mediante la relación entre el peso del soluto y el volumen de la disolución, utilizando distintas unidades según las necesidades. En estos casos debemos prestar atención a las unidades, puesto que podemos encontrar una gran variación: mg/ml, mg/l, ug/dl, etc. 12 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico IMPORTANTE: No confundir la concentración expresada como la relación entre el peso del soluto y el volumen de la disolución con la densidad de la disolución. En ambos casos, se relaciona peso con volumen, pero mientras en la concentración el peso se refiere al soluto, en la densidad se refiere a la disolución. Así, una concentración 1,5 mg/ml significa que en 1ml de disolución hay 1,5 g de soluto, mientras que una densidad de 1,5mg/ml significa que 1ml de la disolución pesa 1,5mg. 3. LA PREPARACIÓN DE LAS DISOLUCIONES: En cualquier laboratorio preparamos disoluciones: para muestras, para realizar análisis, incluso para los detergentes o desinfectantes que usaremos. Es necesario, por tanto, dominar el procedimiento y aplicarlo con la máxima corrección, de forma que obtengamos una disolución homogénea, y con la concentración deseada. 3.1 Procedimiento básico de preparación: En la preparación de una disolución, debemos seguir las siguientes etapas: 1- Preparación del material: debemos seleccionar el material necesario y comprobar que está limpio y seco. 2- Cálculo de las cantidades de soluto y disolvente: calculamos que cantidad de cada disolvente debemos usar para conseguir la concentración que deseamos. Para hacerlo, debemos tener en cuenta las especificaciones del etiquetado del producto comercial donde vendrán indicados, entre otros datos, la fórmula, la masa molecular, la riqueza y la densidad. 3- Preparación del soluto y del disolvente: la cantidad de soluto debe ser medida con la mayor precisión posible: • Si el soluto es sólido, lo pesamos en una balanza analítica o de precisión y lo transferimos a un vaso de precipitados. • Si el soluto es líquido, tomamos la cantidad necesaria utilizando un 13 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico material volumétrico de precisión adecuada, como pipetas aforadas o graduadas o probetas, y la transferimos a un vaso de precipitado. El disolvente debe tener la mayor pureza posible; cuando se utiliza agua se aconseja que sea destilada o desionizada. No es necesario hacer una medición precisa, así que, pondremos la cantidad (aproximada) en un recipiente adecuado para verter. 4- Mezcla del soluto en el disolvente: el procedimiento es sencillo, tomamos el vaso de precipitado con el soluto, le añadimos una pequeña cantidad de disolvente y mezclamos con la varilla. Luego, vamos incorporando más disolvente, con cuidado. En esta etapa, utilizamos la menor cantidad posible de disolvente (en todo caso, menor al volumen de disolución que vamos a preparar) y siempre, reservaremos disolvente para ajustar el volumen a final del proceso. Cuando trabajemos con ácidos y bases, NUNCA se puede verter agua sobre un ácido o una base. El procedimiento correcto es siempre verter el ácido sobre el agua. El proceso de disolución puede desprender calor, por lo que el recipiente en el que se realiza puede sufrir un aumento de temperatura muy notable. De ahí que este proceso no pueda hacerse en material volumétrico de precisión, ya que el calentamiento podría alterar su calibración de volumen. 5- Enrase: una vez que el soluto está bien disuelto, transferimos la disolución, con ayuda de un embudo, del vaso de precipitado a un matraz aforado cuyo volumen sea el volumen total de la disolución que debemos elaborar. Antes de hacerlo, debemos asegurarnos de que la disolución está a temperatura ambiente. Seguidamente, vamos añadiendo disolvente hasta enrasar, los últimos mililitros 14 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico los añadiremos a gota a gota con cuentagotas o pipeta Pasteur. El matraz aforado nos permitirá enrasar hasta el volumen final de disolución con precisión. 6- Homogeneización: Por último, homogeneizamos la disolución, tomando el matraz por el cuello y haciendo movimientos circulares con la muñeca para que la última aportación de disolvente se reparta bien. También, se puede usar un agitador magnético. Otra opción: si el matraz dispone de tapón puedo agitarlo suavemente. 7- Envasado y etiquetado: las disoluciones que hemos preparado deben acondicionarse de forma adecuada a en envases de plástico o cristal con cierre hermético. Para las disoluciones que contengan algún componente sensible a la luz, usaremos de color topacio. Las que requieran conservación en frio, las guardaremos en la nevera. Todas las disoluciones deben estar debidamente etiquetadas indicando, al menos, la cantidad total de la disolución, la composición cualitativa, y cuantitativa, la fecha de elaboración y las condiciones de conservación. 3.2 La velocidad de la disolución: Al preparar una disolución, nos podemos encontrar con solutos que disuelven muy lentamente en un disolvente, mientras que otros lo hacen muy rápido. La velocidad de disolución expresa la menor o mayor rapidez con que un soluto pasa a la disolución, en unas condiciones determinadas. Son varios los factores que influyen en la velocidad de disolución: ➢ La solubilidad: Cuánto más soluble sea el soluto en el disolvente, más rápidamente, se disuelve en él. Por ello, los factores que incrementan la solubilidad, como elevar la temperatura, incrementan, también, la velocidad de la disolución. ➢ El tamaño de la partícula del sodio: la disolución es más rápida cuanto mayor sea la superficie de contacto con el soluto y el disolvente. Cuando el soluto es un sólido, interesa que el tamaño de la partícula sea lo más 15 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico pequeño posible para acelerar la disolución. ➢ La agitación: aumenta la velocidad de disolución porque hace que el soluto se distribuya de forma homogénea en el disolvente, y favorece el contacto soluto-disolvente. En muchas disoluciones se aplica mediante una varilla, en otras se recurre a equipos agitadores. 4. LAS DILUCIONES: Realizar una dilución es tomar un volumen de una disolución y añadirle disolvente, consiguiendo así aumentar el volumen y reducir la concentración. Así, al diluir una disolución, estamos aportando más disolvente, sin modificar la cantidad de soluto presente. La dilución es una operación que se practica muy a menudo en los laboratorios, debido a que, a menudo se necesitan disoluciones con una concentración muy baja. Prepararlas, directamente, supone tener que pesar cantidades muy pequeñas de soluto, y el riesgo de error es en estas pesadas es más alto que en cantidades mayores. Por eso, se preparar una dilución más concentrada, y a partir de ella, se toma la cantidad necesaria y se diluye hasta obtener la cantidad deseada. ➢ Estas disoluciones concentradas preparadas para realizar diluciones a partir de ellas, se denominan dilución madre o stok. El uso de estas disoluciones tiene además la ventaja de que se conservan mejor que las disoluciones de muy baja concentración. 4.1 La Nueva Concentración: En términos numéricos, la relación entre volumen y la concentración de la disolución inicial y los que obtenemos después de incorporarle más disolvente es la siguiente: VD x CD = V 1 x C1 Siendo VD y CD el volumen y la concentración de la disolución de origen y, V1 y C1 el 16 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico volumen y la concentración resultante. Los datos de la disolución inicial los conocemos, y el volumen final que damos a la disolución, también. Por tanto, el cálculo de la disolución resultante es sencillo: Debemos tener en cuenta que ambos volúmenes se deben medir en las mismas unidades, y que la concentración que obtendremos tendrá las mismas unidades que la inicial. 4.2 La expresión de las disoluciones: Cualquiera actividad que se realice en el laboratorio, debemos expresarlo de forma inequívoca. En el caso de las diluciones, lo que se tiene en cuenta es el valor en que aumenta el volumen. ✓ El valor de dilución (F) es el número total de volúmenes al que se lleva un volumen previo de disolución madre. El factor de dilución es el inverso de la dilución. Por ejemplo, si hemos aumentado el volumen 10 veces expresaremos esa dilución como 1:10; si lo hubiéramos aumentado 100 veces, seria 1:100, y así, sucesivamente. Las diluciones se pueden expresar… ➢ Como una fracción (VD/V1). En el numerador va el volumen inicial (VD) y en el denominador el volumen resultante tras la dilución (V1), que será la suma del volumen inicial más el volumen del disolvente añadido. ➢ Como cifras separadas por dos puntos (VD:V1). ➢ Como porcentaje volumen-volumen en que, por ejemplo, una dilución 1/10 será una dilución al 10%: 17 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico Por ejemplo, si a un volumen de inicial de 10ml le añadimos 90ml de disolvente para obtener 100ml de disolución diluida, podemos expresar la dilución: 4.3 Diluciones seriadas o banco de diluciones: Un banco de diluciones es una serie de diluciones realizada a partir de una disolución madre, en que el factor de dilución es el mismo en cada caso. ➢ PREPARACIÓN DE UN BANCO DE DILUCIONES: Por ejemplo, preparamos un banco de 5 diluciones con un factor de dilución 2 a partir de una disolución madre con concentración CD. Para hacerlo, seguimos los siguientes pasos: 18 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico 1 – Numeramos los tubos de dilución del 1 al 5. 2 – Ponemos 1 ml de diluyente para cada uno de ellos. Para facilitar los cálculos, usamos el volumen necesario para que, añadiéndole 1 ml luego la dilución sea la deseada. En este caso, para obtener una dilución 1:2 a partir de 1 ml de disolución madre, la cantidad de diluyente necesario es de 1 ml. 3 - Traspasamos 1 ml de la disolución madre al tubo número 1: este volumen que traspasamos de cada tubo al siguiente lo denominamos volumen paso (Vp). Agitamos para homogeneizar. Traspasamos 1 ml del tubo 1 al tubo 2, y agitamos. Hacemos lo mismo con los tubos 2- 3, 3-4, y 4- 5. Al acabar, los tubos de 1-4 contendrán 1ml de dilución, que denominamos volumen final (V1), y que coincidirá con el volumen de diluyente que hemos puesto al principio en cada tubo. El tubo 5, en cambio contendrá 2ml; lo habitual es extraer el volumen sobrante para que este tubo también quede con el volumen final. Las concentraciones de cada tubo serán las de la siguiente tabla: 19 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico ➢ APLICACIONES DE LOS BANCOS DE DILUCIONES: Se emplea en inmunología, hematología, microbiología y bioquímica. Diluciones seriadas en microbiología: Un ejemplo muy común de procedimiento de disoluciones es la preparación de las diluciones decimales para el análisis microbiológico. Para cuantificar la contaminación bacteriana en una muestra se hace una muestra en placa Petri y, posteriormente, se hace el recuento del número de colonias que han aparecido. Para que el procedimiento sea correcto debe haber un número adecuado de colonias; si hay muchas, se apelotonarán y, si por el contrario, hay pocas, el resultado dependerá del azar, es decir de cuantas colonias se pillen al hacer el recuento. Por eso, cuando llega al laboratorio una muestra de la que se sospecha que está muy contaminada, se prepara con ella una serie de diluciones decimales: la primera, es la muestra original; la segunda, está diluida 1:10, la tercera, 1:100 y la cuarta, a 1:1000. Esta serie de diluciones es la que se dispone en placas Petri. Una vez que han aparecido las colonias, se intenta el recuento en la placa que tenga una cantidad adecuada de colonias. Si, por ejemplo, se consigue en la tercera, el resultado obtenido tendrá que multiplicarse por 100, que es la dilución que se había aplicado a la muestra. 20 Técnicas generales de laboratorio Grado superior Laboratorio Clínico y Biomédico EL PROCEDIMIENTO para trabajar en estas series, es el siguiente: 1- Preparamos 5 tubos y 5 placas con un medio de cultivo adecuado. En ambos casos, los numeramos del 1 al 5. 2- Introducimos 9 ml de caldo de cultivo en cada tubo. 3- Introducimos 1 ml de la muestra en el primer tubo y homogenizamos. 4- Introducimos 1ml del primer tubo en el segundo tubo, homogenizamos. Repetimos el proceso con el resto de tubos. 5- Retiramos 1ml del último tubo para que tenga el mismo volumen que los demás. Este mililitro se puede desechar, siempre, siguiendo las pautas de seguridad biológica. 6- Sembramos 1 ml del tubo 1 en la placa 1; repetimos lo mismo con los demás tubos y placas. 7- Incubamos las placas el tiempo necesario, según el tipo de microorganismo que buscamos. 8- Efectuamos el recuento de colonias (unidades formadoras de colonias, UFC), utilizando la placa cuya densidad de crecimiento le haga más adecuada a ese fin. Para determinar, a partir del recuento, el número de colonias de la muestra, tendremos en cuenta los datos de la siguiente tabla: Así, por ejemplo, si contamos 39 colonias en la placa 5, el recuento será: 39 x 100000 = 3.9 x 10 6 UFC ml 21