Agua para la medición del pH y la preparación de tampones

Resumen de la sección

• ¿Por qué se mide el pH?
• Influencia de la calidad del agua en las mediciones de pH y en la preparación
  de tampones
• ¿Cuál es el pH del agua ultrapura?
• Experimento: Efecto de la dilución de la solución tampón en las mediciones de pH
• Soluciones de agua de laboratorio para medir el pH y preparar tampones
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¿Por qué se mide el pH?

La medición del pH es uno de los ensayos más habituales en laboratorios e industrias. Esto se debe a que muchas propiedades físicas y procesos químicos y biológicos dependen de la acidez y la basicidad de las soluciones, que se miden mediante el pH. Los siguientes aspectos se ven influidos por el pH:

• La solubilidad de muchas sustancias químicas
• La biodisponibilidad de las moléculas de fármacos
• Velocidad de las reacciones químicas
• La química fisiológica de los organismos vivos 

La medición del pH es tan habitual que casi todo lo que utilizamos ha sido sometido a un análisis de pH en algún momento: nuestros champús y jabones, el agua del grifo, todo lo que comemos y bebemos, y nuestros medicamentos, por citar algunos ejemplos. 

¿Cómo se mide el pH?

Un pH-metro es la forma más precisa de medir el pH. La medición del pH se basa en la diferencia de potencial entre dos electrodos, uno de los cuales es un electrodo de referencia. Se puede obtener una medida aproximada del pH utilizando un indicador de pH, una sustancia que cambia de color en torno a un valor de pH concreto. También se pueden utilizar indicadores universales. Consisten en una mezcla de indicadores que produce un cambio de color continuo desde aproximadamente un pH de 2 hasta un pH de 10. El valor del pH se mide de forma semicuantitativa mediante determinación colorimétrica. El «papel de pH», las «tiras reactivas de pH» o las «tiras indicadoras de pH» son tiras de celulosa con colorantes indicadores especiales unidos covalentemente.

Repercusión de la calidad del agua en las mediciones de pH y en la preparación de tampones

Un tampón es una solución que mantiene su pH tras la adición de una pequeña cantidad de ácido o de base. Los tampones se utilizan ampliamente en los laboratorios, ya que el pH influye en la velocidad de muchas reacciones químicas y enzimáticas. 

Los tampones y las soluciones utilizados para medir el pH se preparan a partir de reactivos sólidos disueltos en agua, o a partir de soluciones concentradas ya preparadas que pueden diluirse con agua. El agua utilizada para preparar estas soluciones debe ser pura, sin concentraciones significativas de ácidos o bases, y libre de sustancias que puedan modificar el pH de las soluciones.

Efecto de los contaminantes del agua sobre el pH

Iones: Una contaminación significativa por iones, como el amonio y el carbonato, puede alterar la concentración de iones de hidrógeno de una solución, lo que da lugar a mediciones inexactas del pH. Al preparar tampones de una fuerza iónica específica, la presencia de cualquier ion en alta concentración modificará la fuerza iónica de las soluciones. Por lo tanto, es mejor seleccionar agua con baja concentración iónica; se recomienda una resistividad > 1 MΩ.cm.

Sustancias orgánicas: El agua muy contaminada con ácidos o bases orgánicas débiles podría modificar el pH de una solución. Para garantizar una baja concentración de estas moléculas orgánicas, la concentración total de sustancias orgánicas en el agua debe ser baja. Se debe seleccionar agua con un carbono orgánico total (TOC) inferior a 50 ppb.

Bacterias: Aunque las bacterias no resisten ácidos o bases fuertes, pueden desarrollarse en tampones con un pH comprendido entre 5 y 9. Además, las bacterias liberan compuestos orgánicos cargados cuando se rompe su membrana. El agua con un bajo contenido bacteriano evitaría cualquier problema relacionado con las bacterias y sus subproductos.

Partículas: Aunque no es muy sensible a las partículas, el rendimiento de un medidor de pH podría verse afectado por una alta concentración de partículas, que podrían acumularse en la superficie de los electrodos. Se recomienda realizar una etapa de filtración al final del proceso de purificación del agua.

Cómo el almacenamiento del agua puede afectar a las mediciones de pH

El almacenamiento del agua puede tener un efecto drástico sobre el pH final de las soluciones, en particular cuando se almacena agua pura antes de preparar las soluciones. Tras la purificación, el agua es muy pura y los iones y gases pueden disolverse fácilmente. El dióxido de carbono del aire puede disolverse en el agua para generar bicarbonato y carbonato, convirtiendo esencialmente el agua pura almacenada en un tampón de carbonato. Mezclar esa solución de carbonato con tampones ya preparados o con polvos probablemente dará lugar a un pH diferente al esperado.

Además, las bacterias pueden desarrollarse fácilmente en el agua almacenada y crearán biopelículas en el recipiente utilizado para almacenar el agua y las soluciones o tampones. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente limpiar a fondo los frascos utilizados para preparar y conservar los tampones entre cada uso.

¿Cuál es el pH del agua ultrapura?

El pH teórico del agua ultrapura es de 6,998 (Figura 1).^¹⁻² Sin embargo, no es posible medir el pH del agua ultrapura simplemente sumergiendo los electrodos de un pH-metro en el agua. Dado que el agua ultrapura es muy pura, contiene muy pocos iones y tiene una baja capacidad tampón. Por lo tanto, su valor de pH puede cambiar rápidamente una vez que se ha dispensado del sistema. Cualquier impureza presente en la superficie del recipiente utilizado para recoger el agua ultrapura se disolverá y modificará el valor del pH. Además, el dióxido de carbono presente de forma natural en el aire se disolverá en el agua, produciendo bicarbonato y reduciendo el valor del pH hasta aproximadamente 5,8. 

 Los medidores de pH no están diseñados para funcionar en una solución que casi no contenga iones; no están adaptados para medir el pH del agua ultrapura y, por lo tanto, pueden ofrecer resultados inexactos. Algunas empresas han diseñado medidores de pH capaces de medir el pH del agua ultrapura en condiciones de funcionamiento dinámicas, pero estos rara vez se utilizan en los laboratorios de investigación habituales. 

Por estas razones, se recomienda utilizar la resistividad como indicador de pureza y de un pH neutro: el agua con alta resistividad (18,2 MΩ·cm a 25 °C) garantiza que el pH se sitúe cerca de 7,0.¹  

Experimento: Efecto de la dilución del tampón en las mediciones de pH

Se diseñó un experimento para demostrar que el agua pura suministrada por un sistema de tratamiento de agua que combina ósmosis inversa y electrodeionización Elix® (como el sistema de agua pura Milli-Q® IX) y el agua ultrapura suministrada por una unidad de pulido (como el sistema de agua ultrapura Milli-Q® IQ 7000) podían utilizarse para preparar soluciones tampón.¹

Los tampones suelen prepararse diluyendo soluciones madre. En este estudio, las soluciones madre de fosfato y PBS se diluyeron 10 y 100 veces, respectivamente, con agua de distintas calidades, y se midió el pH. Los resultados (figura 2) muestran que el agua pura y ultrapura recién producida ofrecen resultados idénticos a los del agua destilada embotellada para la preparación de tampones. 

La dilución al décimo de la solución de fosfato o PBS 10× dio como resultado un pH cercano al valor esperado de 7,4. La dilución adicional de los tampones de fosfato con agua provocó aumentos del pH debido a cambios en la fuerza iónica y la capacidad tampón. Para cada tampón, los cambios de pH fueron similares con los tres tipos de agua. 

Hay que tener en cuenta que la temperatura también influye en el valor del pH. La preparación de tampones con soluciones muy frías puede dar lugar a diferencias de pH de 0,1.

Soluciones de agua de laboratorio para medir el pH y preparar tampones

Para medir el pH se suele recomendar agua de calidad definida como «agua pura» o «agua de tipo 2». A la hora de preparar tampones, la elección de la calidad del agua dependerá de la finalidad de la solución tampón: si está destinada a aplicaciones sensibles (cultivo celular, biología molecular, etc.), normalmente se preferirá agua de tipo 1 o ultrapura.

Existe una gama de soluciones de sistemas de agua adaptadas a las necesidades de los científicos que preparan tampones y miden el pH.