Análisis Químico Farmacéutico

Por carlos vereau

Sumérgete en el fascinante mundo del análisis químico farmacéutico con este exhaustivo y práctico manual. "Análisis Químico Farmacéutico: Métodos y Aplicaciones" es una obra indispensable que ofrece una completa guía para estudiantes, profesionales y científicos dedicados al control de calidad y desarrollo de medicamentos. Desde la identificación de compuestos hasta el control de impurezas, este libro aborda todos los aspectos fundamentales del análisis químico en el contexto farmacéutico.

Este libro presenta una amplia gama de técnicas analíticas y métodos instrumentales utilizados en el análisis de productos farmacéuticos, con un enfoque en la precisión, sensibilidad y cumplimiento de las regulaciones. Desde los principios básicos hasta las aplicaciones prácticas, cada capítulo ofrece una combinación de teoría y práctica, acompañada de ejemplos claros y casos de estudio relevantes.

Principales características:

Fundamentos del Análisis Químico: Una introducción detallada a los principios básicos del análisis químico, incluyendo conceptos de química analítica y técnicas de laboratorio.

Métodos Analíticos en Farmacia: Una visión general de los métodos analíticos más comúnmente utilizados en la industria farmacéutica, incluyendo cromatografía, espectroscopía y técnicas de titulación.

Control de Calidad de Medicamentos: Cómo se realizan los ensayos de control de calidad para garantizar la eficacia, seguridad y calidad de los productos farmacéuticos.

Validación de Métodos Analíticos: Procedimientos y criterios para la validación de métodos analíticos, asegurando la precisión, exactitud, linealidad y reproducibilidad de los resultados.

Cumplimiento Normativo: Consideraciones importantes sobre el cumplimiento de las regulaciones y normativas aplicables a los análisis químicos farmacéuticos, incluyendo las farmacopeas nacionales e internacionales.

Aplicaciones Prácticas: Casos de estudio y ejemplos prácticos que ilustran la aplicación de los métodos analíticos en situaciones reales, desde la identificación de ingredientes activos hasta el monitoreo de estabilidad y degradación.

"Análisis Químico Farmacéutico: Métodos y Aplicaciones" es una herramienta invaluable para todos aquellos involucrados en la producción, control de calidad y desarrollo de medicamentos. Ya sea como un recurso de referencia en el laboratorio o como material de estudio en el aula, este libro proporciona los conocimientos y habilidades necesarios para garantizar la calidad y seguridad de los productos farmacéuticos en el mercado.

• Idioma: Español
• Editorial: carlos vereau
• Fecha de lanzamiento: 8 jun 2024
• ISBN: 9798227834386

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Carlos Vereau

Índice de contenidos

PRÓLOGO /1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS QUÍMICO FARMACEUTICO

1.1. Revisión de algunos conceptos importantes............................................

1.1.1. Masa, volumen y cantidad de sustancia.............................................

1.1.2. Electrolitos............................................................................................

1.1.3. Formas de expresar la concentración..................................................

1.1.4. El equilibrio químico.............................................................................

1.1.5. Ácidos y bases.....................................................................................

1.1.6. Constante del producto de solubilidad................................................

1.1.7. Cálculo de la masa molar del equivalente...........................................

En reacciones de neutralización..................................................

En reacciones de oxidación-reducción.........................................

En reacciones de precipitación y de formación de complejos..........

De especies que no participan directamente en una

reacción dada..........................................................................

Clasificación de los métodos clásicos de análisis cuantitativo...............

Reactivos y equipamiento en un laboratorio de análisis químico y su manipulación ...................................................................

1.3.1. Reactivos.............................................................................................

1.3.2. Equipamiento......................................................................................

1.3.2.1. Utensilios y recipientes para medir volúmenes.....................

1.3.2.2. Recipientes para pesar sólidos..............................................

1.3.2.3. Utensilios y materiales para filtrar........................................

1.3.2.4. Otros utensilios y aparatos de amplio uso en el laboratorio.. 1.3.2.5. Equipos..........................................................................

El trabajo en un laboratorio de análisis químico................................

1.4.1. Algunas operaciones básicas..............................................................

1.4.1.1. Evaporación de líquidos........................................................

1.4.1.2. Filtración y calcinación.........................................................

1.4.1.3. La Pesada.............................................................................

1.4.1.4. Trasvase cuantitativo de sólidos..........................................

1.4.2. Limpieza y rotulación del material de laboratorio..............................

1.4.3. Seguridad en el laboratorio.................................................................

1.4.4. Libreta de trabajo................................................................................

1.5. Etapas de un análisis químico cuantitativo.........................................

1.5.1. Definición de los objetivos...................................................................

1.5.2. Selección del método analítico............................................................

1.5.2.1. Validación del método analítico.............................................

1.5.3. Muestreo..............................................................................................

1.5.4. Preparación de la muestra..................................................................

1.5.5. Determinación analítica.......................................................................

Cálculos, reporte e interpretación de los resultados...........................

Errores en análisis cuantitativo........................................

1.6. Ejercicios propuestos

CAPÍTULO 2. ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO

2.1. Fundamento del análisis gravimétrico..............................................

2.2. Clasificación de los métodos gravimétricos........................................

2.3. Métodos gravimétricos por precipitación...........................................

Operaciones en los métodos gravimétricos por precipitación..........

2.3.1.1. Medida de la muestra........................................................

2.3.1.2. Preparación de la muestra.................................................

2.3.1.3. Precipitación.......................................................................

2.3.1.4. Filtración y lavado.............................................................

2.3.1.5. Secado y/o incineración....................................................

2.3.1.6. Pesada...............................................................................

2.3.1.7. Cálculos y expresión de los resultados.............................

Aplicaciones en el análisis químico farmacéutico............................

2.4. Métodos gravimétricos por volatilización..........................................

2.4.1. Determinación de la pérdida por secado........................................

2.4.1.1. Importancia de la pérdida por secado en la determinación de la pureza de las materias primas de uso farmacéutico.

2.4.2. Determinación del residuo de ignición............................................

2.4.3. Determinación de la pérdida por ignición.......................................

2.4.4. Aplicaciones en el análisis químico farmacéutico...........................

CAPÍTULO 3. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS VOLUMÉTRICO

Fundamentos generales del análisis volumétrico.............................

Límite de cuantificación y precisión del análisis volumétrico..........

Clasificación de los métodos volumétricos de análisis.....................

3.4. Métodos de valoración......................................................................

3.4.1. Método directo................................................................................

3.4.2. Métodos indirectos.........................................................................

3.4.2.1. Método por retroceso...................................................................

3.4.2.2. Método por sustitución................................................................

3.5. Preparación de soluciones................................................................

3.5.1. A partir de un reactivo sólido........................................................

3.5.1. A partir de un reactivo líquido......................................................

3.5.3. A partir de una solución con mayor concentración.......................

3.6. Métodos de estandarización de soluciones......................................

Método de las alícuotas..........................................................

Método de las pesadas individuales........................................

3.7. El titre............................................................................................

3.8. El ensayo en blanco en el análisis volumétrico...............................

CAPÍTULO 4. VOLUMETRÍA DE NEUTRALIZACIÓN

Fundamentos generales de la volumetría de neutralización............

Volumetría de neutralización acuosa...............................................

4.2.1. Fundamentos generales.........................................................

4.2.2. pH y punto de equivalencia....................................................

4.2.3. Indicadores ácido-base...........................................................

Teoría de los indicadores............................................

Intervalo de viraje de los indicadores ácido-base..........

4.2.3.3. Indicadores mezclas...................................................

Curvas de valoración ácido-base.............................................

Curvas de valoración entre un ácido fuerte y

una base fuerte........................................................

Curvas de valoración de un ácido débil

con una base fuerte...................................................

Curvas de valoración de una base débil

con un ácido fuerte....................................................

Curvas de valoración entre un ácido débil

y una base débil.......................................................

Factores que afectan el salto de pH de las

curvas de valoración.................................................

Valoración de soluciones de sales de ácidos y

bases débiles........................................................................

Soluciones reguladoras..........................................................

Aplicaciones de la volumetría de neutralización acuosa en el análisis farmacéutico.............................................................

Volumetría de neutralización no acuosa..........................................

Fundamentos generales.........................................................

4.3.2. Valoración de bases..............................................................

4.3.3. Valoración de ácidos..............................................................

4.3.4. Aplicaciones de la anhidrovolumetría en el análisis farmacéutico................................................................................

4.4. Ejercicios propuestos.......................................................................

CAPÍTULO 5. VOLUMETRÍA DE PRECIPITACION

Fundamentos generales de la volumetría de precipitación.............

Curvas de valoración por precipitación ..........................................

Factores que influyen sobre la forma de la curva de

valoración ............................................................................

Métodos de detección del punto final.....................................

5.3. Métodos de detección del punto final..............................................

5.3.1. Método de Mohr...........................................................................

5.3.2. Método de Volhard.......................................................................

5.3.3. Método de Fajans..................................................................

Aplicaciones de la volumetría de precipitación en el análisis de sustancias de interés farmacéutico.................................................

5.5. Ejercicios propuestos........................................................................

CAPÍTULO 6. VOLUMETRÍA DE FORMACIÓN DE COMPLEJOS

Fundamentos generales de la complejometría.................................

El ácido etilendiaminotetracético (EDTA)........................................

Factores que afectan la estabilidad de los complejos

metal-EDTA.......................................................................................

Concentración hidrogeniónica o pH del medio...........................

6.3.2. Carga del catión....................................................................

Constante de estabilidad condicional de

los complejos metal-EDTA................................................................

Curvas de valoración complejométricas...........................................

Factores que influyen en la forma de la curva de valora-

ción complejométrica con EDTA..............................................

Indicadores complejométricos.........................................................

Métodos de valoración con EDTA......................................................

Aplicación de la complejometría en el análisis de sustancias

de interés farmacéutico..................................................................

6.9. Ejercicios propuestos........................................................................

CAPÍTULO 7. VOLUMETRÍA DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN

Fundamentos generales de la volumetría de oxidación reducción...

Semirreacciones de oxidación - reducción .................................

Reacciones de oxidación-reducción en celdas electroquímicas......................................................................

7.2. Potencial de electrodo.......................................................................

7.2.1. Influencia de las concentraciones sobre el potencial

de electrodo ...........................................................................

Constantes de equilibrio de las reacciones de oxidación reducción.........................................................................................

Curvas de valoración de oxidación- reducción..................................

Factores que influyen en la forma de las curvas de valoración....

Indicadores empleados en la volumetría de oxidación-reducción.....

7.5.1. Autoindicadores......................................................................

Indicadores específicos............................................................

Indicadores de oxidación-reducción verdaderos..........................

Agentes oxidantes y reductores más empleados................................

7.6.1. Permanganometría..................................................................

7.6.2. Dicromatometría......................................................................

7.6.3. Cerimetría...............................................................................

7.6.4. Yodometría y yodimetría..........................................................

7.6.5. Yodatometría.....................................................................

7.6.5. Bromatometría...................................................................

Aplicación de la volumetría redox en el análisis de sustancias de interés farmacéutico.........................................................................

7.8. Ejercicios propuestos.........................................................................

CAPITULO 8. EJERCICIOS INTEGRADORES......................................

CAPITULO 9. PRACTICAS DE LABORATORIO......................................

APÉNDICES......................................................................................

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................

Capítulo 1

Introducción al Análisis Químico Farmacéutico

La Química Analítica, considerada por muchos la rama más antigua de la Química, es la ciencia que estudia el conjunto de principios, leyes, métodos y técnicas cuya finalidad es la determinación de la composición química de una muestra natural o artificial. Es, por tanto, la ciencia creadora y elaboradora de esos métodos y técnicas y puede definirse como la rama de la química que se ocupa de la identificación y cuantificación de uno o varios componentes químicos en una muestra dada. De acuerdo con esta definición la Química Analítica se divide en cualitativa y cuantitativa.

La Química Analítica Cualitativa tiene por objetivo el reconocimiento o identificación de los elementos, compuestos o grupos químicos presentes en una muestra dada; mientras que el de la Química Analítica Cuantitativa, es la determinación de las cantidades en las cuales tales elementos, compuestos o grupos químicos se encuentran en la muestra.

Para cumplimentar cualquiera de estos objetivos (cualitativo o cuantitativo), la química analítica se vale del procedimiento denominado método analítico, el cual puede definirse como el conjunto de operaciones físicas y químicas que permite identificar y/o cuantificar un componente químico o un grupo dado de estos (el analito) en el sistema material que lo contiene (la muestra). La complejidad en la composición (matriz) de la muestra será la que determine el procesamiento a que deberá ser sometida esta última a fin de lograr resultados óptimos en el análisis. Un ejemplo de muestra con matriz compleja es la sangre, frecuentemente analizada con múltiples objetivos.

Los métodos de análisis químico pueden clasificarse de diferentes formas aunque, la más aplicada, es la que los divide según la naturaleza de la medida final que se realiza. De acuerdo con esto, los métodos de análisis químico pueden clasificarse en clásicos e instrumentales.

Métodos clásicos: Son los más antiguos e involucran, generalmente, la aplicación de una reacción química en la que interviene el constituyente que se desea determinar. Si el fin es cualitativo, la reacción deberá dar lugar a la aparición de coloración, turbidez, precipitado, o cualquier otro cambio perceptible que indique la posible presencia de especies químicas determinadas. Estas reacciones características serán descritas y aplicadas en cursos posteriores.

Si por el contrario, el objetivo del análisis es cuantitativo, el procedimiento químico empleado deberá concluir con la medición final de una masa o un volumen que permitirá calcular la cantidad o concentración de analito presente en la muestra. Este texto tratará sobre los métodos clásicos de análisis cuantitativo.

Métodos instrumentales: Constituyen un conjunto de procedimientos basados en la medición instrumental de alguna propiedad físico-química de las sustancias que proporciona información sobre su estructura o composición química (métodos cualitativos) o que resulta proporcional a la masa o concentración de las mismas en el sistema estudiado (métodos cuantitativos). Estos métodos, por lo general, no involucran reacción química alguna y presentan una enorme diversidad. En ocasiones, requieren de equipos que pueden resultar altamente sofisticados y muy caros, pero que ofrecen resultados imposibles de lograr por otras vías. Los métodos instrumentales son aplicados ampliamente tanto con fines cualitativos como cuantitativos y, a diferencia de los métodos clásicos que han experimentado poco cambio con el transcurso de los años, están sometidos a un constante desarrollo y constituyen una herramienta fundamental en casi todas las ramas de la ciencia.

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Por su parte, los métodos clásicos mantienen una amplia aplicabilidad en el campo farmacéutico, particularmente, en lo que se refiere al control de la calidad de las materias primas utilizadas en la elaboración de medicamentos y también en el de los propios productos terminados. Esta aplicabilidad se fundamenta en el hecho de que no siempre debe utilizarse el método más moderno y costoso para un análisis, pues ante todo debe tomarse en consideración el objetivo que se persigue con el mismo para seleccionar adecuadamente el método analítico menos engorroso y costoso que sea aplicable a la muestra bajo estudio y que garantice unos resultados con el nivel de exigencia requerido. Un científico nunca deberá invertir tiempo o recursos para lograr más exactitud y precisión de la requerida para un análisis dado, aunque menos aún deberá proporcionar unos resultados que no estén a la altura de la exigencia que se plantea para el mismo.

Los Medicamentos

Medicamento es toda sustancia o preparado que, poseyendo propiedades curativas o preventivas, es elaborado para ser administrado al hombre o a los animales, ayudando al organismo a recuperarse de los desequilibrios producidos por las enfermedades o a protegerlo de las mismas.

De forma general, un medicamento está compuesto por una sustancia o compuesto principal que es la sustancia o principio farmacológicamente activo (o fármaco), responsable de ejercer la actividad preventiva o terapéutica (curativa) que se persigue con su administración frente a una enfermedad o padecimiento dado; y otra serie de sustancias inactivas o inertes, que se conocen como sustancias auxiliares o excipientes, que permiten o coadyuvan a una mejor absorción del principio activo por el organismo al mismo tiempo que garantizan su estabilidad y posibilitan la preparación de la forma farmacéutica (tableta, ungüento, crema, loción, jarabe, colirio, inyectable, polvos, etc.) en que será administrado. Entonces, la forma farmacéutica es la presentación externa de un medicamento con el fin de posibilitar su administración al individuo. En ocasiones, un medicamento incluye en su composición más de un principio activo y entonces se dice que es una asociación medicamentosa.

Así por ejemplo, en las tabletas de KCl 500 mg, administradas a pacientes hipopotasémicos (con niveles deprimidos de potasio en sangre), el cloruro de potasio constituye el principio activo o fármaco, mientras que los otros componentes de la tableta (glicerina, estearato de magnesio, hidróxido de aluminio y acacia), son las sustancias auxiliares o excipientes.

Por otra parte, antes de formar parte del medicamento, cada uno de los compuestos que va a ser utilizado en su elaboración, constituye una materia prima (figura 1.1).

––––––––

Para garantizar la calidad de un medicamento debe controlarse cuidadosamente la calidad de cada uno de los componentes que forman parte del mismo, así como del proceso productivo mediante el cual es elaborado. De ello depende, tanto la adecuada presentación del producto terminado como su efectividad preventiva o terapéutica y su estabilidad física y química. Por tal motivo, todas las materias primas que van a ser utilizadas en la elaboración de un medicamento deben ser sometidas a un riguroso control de calidad mediante la aplicación de una serie de técnicas analíticas que permiten comprobar si cumplen o no con los requisitos de pureza establecidos para cada una de ellas.

Sin embargo, ese control no basta para garantizar la calidad del producto terminado. Durante el proceso tecnológico mediante el cual se elabora el medicamento deben realizarse diferentes chequeos con el fin de comprobar que todos los parámetros tecnológicos se comportan adecuadamente y no se ha producido alteración alguna en las distintas etapas productivas. Finalmente, el producto terminado es sometido a una serie de pruebas o análisis de diferentes tipos (físicos, químicos, químico-físicos, microbiológicos, bioquímicos, toxicológicos, etc. en dependencia de sus características) para establecer si el mismo se encuentra o no apto para el consumo humano o animal.

En las farmacopeas, compendios que se publican en los países con más desarrollo en producción de medicamentos, se recogen todos los análisis a que deben ser sometidos tanto las materias primas (principios activos, sustancias auxiliares, agua de uso industrial, envases, etc.) como los productos terminados (medicamentos y otros productos de uso farmacéutico) que se producen en esos países. Para cada análisis se establece el criterio de calidad, o sea el intervalo en el que deben encontrarse los resultados del análisis en cuestión, para que tales materias primas o productos puedan ser considerados aptos para el uso farmacéutico. Las materias primas y productos farmacéuticos que se importan, deben ser sometidos también a rigurosos controles según establecen las regulaciones del país que importa. Igualmente, debe realizarse un control periódico a las materias primas o formas terminadas que se mantienen almacenadas ya que debe comprobarse que conservan su calidad durante el almacenamiento.

Para una gran cantidad de los diferentes tipos de análisis y controles mencionados, se aplican los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo, de ahí la importancia del adecuado aprendizaje y dominio de los mismos.

En cursos posteriores se tratarán, detalladamente, los aspectos concernientes al aseguramiento y control de la calidad en la industria farmacéutica y a los estudios de estabilidad química a que deben ser sometidos los nuevos fármacos y medicamentos. No obstante, en el presente texto serán utilizados algunos ejemplos que permitirán ilustrar de forma concreta la aplicación directa de los métodos clásicos de análisis cuantitativo con tales fines.

Por otra parte, cuando se va a aplicar una técnica o procedimiento analítico, es imprescindible discernir claramente cuál es la muestra, cuáles son las características de su matriz y cuál es el analito.

Para ello, pueden tomarse como ejemplo las tabletas de cloruro de potasio (KCl) esquematizadas anteriormente. Así, desde el punto de vista analítico, cuando se desea determinar experimentalmente la pureza de la materia prima cloruro de potasio, esta última constituirá la muestra a analizar, en la que deberá determinarse el contenido de KCL (componente químico) que realmente presenta y que constituirá el analito, en una matriz que pudiera estar compuesta por el KCL (analito) y otras impurezas que pudieran estar presentes en la materia prima, considerando que es prácticamente imposible obtener un compuesto 100% puro. El análisis mencionado forma parte de un conjunto de pruebas o ensayos físicos y químicos establecidos para el control de la calidad de esta materia prima en particular.

Por otra parte, si lo que se realiza es el control de calidad de un lote fabricado o importado de tabletas de KCl, y se desea determinar si el contenido de principio activo en las tabletas cumple con el que declara el fabricante (500mg) entonces, la muestra serían las tabletas (que llegan al laboratorio para ser analizadas) y, el analito, el KCl contenido en ellas. La matriz dependerá de la formulación específica que se haya utilizado por el fabricante para la elaboración de las tabletas.

Es preciso aclarar que, cuando la muestra es un medicamento, el analito puede o no ser específicamente el principio activo. Esto se debe a que, frecuentemente, se hace necesaria

la determinación cuantitativa de otros compuestos que acompañan o pudieran acompañar al fármaco en la materia prima o en el medicamento.

En general, el Análisis Químico (cualitativo o cuantitativo, clásico o instrumental) tiene una amplísima aplicación en el campo farmacéutico. Además de utilizarse, en gran medida, en el control de la calidad de materias primas y productos terminados, se aplica también en estudios farmacológicos, toxicológicos, farmacocinéticos, de estabilidad, en la investigación y desarrollo de nuevos principios activos y medicamentos, en el desarrollo de kits para el diagnóstico de enfermedades, en la fabricación de cosméticos y otros productos de aseo y cuidado personal, etc. Igualmente, los métodos de análisis químico cualitativo y cuantitativo son aplicables en el campo de las ciencias alimentarias, medicina, criminalística, bioquímica, biología, en el control ambiental, en el control antidopaje, mineralogía, agricultura, antropología, y por supuesto en la industria química, entre otros.

Los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo constituyen el primer peldaño en el largo recorrido dentro del amplio campo del análisis farmacéutico. Los conceptos y definiciones que se estudian son de aplicación permanente en este campo. El estudio de los métodos clásicos no sólo proporciona una serie de herramientas teóricas y habilidades prácticas de aplicación directa en diversos perfiles de trabajo del profesional farmacéutico, sino también resultan imprescindibles para el ulterior aprendizaje de métodos y técnicas de análisis más complejos y especializados, como por ejemplo los ya mencionados métodos instrumentales.

Por tanto, el estudio de los métodos clásicos de análisis cuantitativo, con el enfoque farmacéutico que se le ha dado en el presente texto, debe capacitar al estudiante y futuro profesional farmacéutico para:

identificar los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo

aplicar los principios, conceptos y leyes en que se fundamentan tales métodos

manipular adecuadamente los reactivos y el equipamiento fundamental de un laboratorio analítico, así como otros materiales utilizados en el mismo

preparar las disoluciones necesarias

interpretar correctamente el lenguaje analítico utilizado en la literatura farmacéutica

ejecutar los métodos y técnicas analíticas reportados en ese tipo de literatura

evaluar la posibilidad de aplicar los diferentes métodos clásicos de análisis cuantitativo según las características químicas de una muestra dada

utilizar adecuadamente la libreta de trabajo en el laboratorio

realizar los cálculos necesarios y expresar correctamente los resultados parciales y finales del trabajo analítico, haciendo referencia a los criterios de calidad establecidos en la literatura farmacéutica

interpretar científicamente los resultados del análisis realizado

detectar las posibles fuentes de error que inciden en los resultados del trabajo experimental y proponer la forma de minimizar la magnitud de estos siempre que sea posible

acometer el estudio de otros métodos de análisis cuantitativo

1.1.  REVISION DE ALGUNOS CONCEPTOS IMPORTANTES

El estudio de los métodos cuantitativos de análisis requiere del constante uso de una serie de conceptos que el estudiante debe haber aprendido en cursos precedentes y debe revisar con frecuencia. Entre estos conceptos se encuentran: tipos de electrolitos, disoluciones y sus propiedades, carácter ácido - base de las sustancias, unidades de masa y volumen, formas

de expresar la concentración y la conversión entre ellas, leyes del equilibrio químico, y otros, algunos de los cuales serán repasados brevemente.

1.1.1  – Masa, volumen y cantidad de sustancia

En primer lugar, debe precisarse que, según el Sistema Internacional de Unidades (SI) adoptado nacionalmente en Cuba, la única unidad química para una cantidad de sustancia es el mol. El mol se define como la cantidad de materia que contiene tantas especies elementales (átomos, electrones, iones, pares de iones o moléculas explícitamente especificados) como átomos de carbono hay en exactamente 0,012 kg de carbono-12 (éste es el número de Avogadro).

Las unidades de masa que se utilizan son las que corresponden al Sistema Métrico Decimal, o sea, gramo (g), miligramo (mg), microgramo (µg), etc. Igualmente, se aplican las de volumen: litro (L), mililitro (mL), microlitro (µL), nanolitro (nL), etc.

En las Tablas 1.1 y 1.2 se relacionan algunas de las conversiones de unidades de masa y volumen más utilizadas en análisis químico cuantitativo.

1.1.2.  Electrolitos

Los electrolitos son sustancias que se disocian más o menos completamente en sus iones cuando se disuelven en agua. Los electrolitos fuertes están virtualmente disociados por completo, mientras que los débiles se encuentran presentes en disolución tanto disociados como en forma molecular.

Ejemplos de electrolitos fuertes:

  los ácidos inorgánicos (perclórico, nítrico, clorhídrico, bromhídrico, yodhídrico)

  los hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos

  casi todas las sales inorgánicas (excepto los halogenuros, cianuros y tiocianatos de cadmio, zinc y algunos otros)

Ejemplos de electrolitos débiles:

  Algunos ácidos inorgánicos (fosfórico, bórico carbónico)

  Algunos hidróxidos inorgánicos (amonio, la mayoría de los hidróxidos de metales divalentes y trivalentes,etc.)

  La mayoría de los ácidos orgánicos

  Haluros, cianuros y tiocianatos de mercurio, zinc y cadmio

1.1.3.  Formas de expresar la concentración

Existen múltiples formas de expresar la concentración, todas, de mucha aplicación en el análisis químico y en especial en el análisis químico farmacéutico. A continuación se relacionan las más comúnmente empleadas no sólo cuando se trata de disoluciones que se utilizan durante el desarrollo del análisis, sino también cuando se reportan los resultados del mismo como por ejemplo: pureza de una materia prima, contenido de principio activo o de impurezas en un medicamento, etc.

Concentración másica. ρ(x)

La concentración másica (ρ(x)) expresa la masa de soluto contenida en una unidad de volumen de disolución y se calcula según:

ρ (x) =

m asa del soluto x =

volumen de disolución

m(x)

V(D)

––––––––

[1.1]

Puede expresarse, indistintamente, en g/L, mg/L, μg/L, g/mL, mg/mL, etc.

Por ejemplo, si se disuelven 40 g de NaOH hasta 250 mL de disolución, la concentración de la disolución resultante se puede expresar en g/L,

ρ(NaOH)= m(NaOH) =

V(D)

40g 0,25L

––––––––

=160g / L

La concentración de esta misma disolución puede ser expresada en cualquier unidad que relacione la masa de NaOH por unidad de volumen de disolución. Para realizar estas conversiones sólo es necesario conocer las relaciones entre las diferentes unidades de masa y volumen, relacionadas en las Tablas 1.1 y 1.2.

Así, puede decirse que:

ρ (NaOH) = 160 g/L

= 0,160 g/mL

= 160000 mg/L

= 160 mg/mL,

entre otras formas.

Nótese que el valor de la concentración expresada en g/L y mg/mL es el mismo (160), o sea, la relación masa / volumen se mantiene constante.

Las unidades mg/L expresan la concentración de disoluciones muy diluidas, aunque también comúnmente se expresan en partes por millón (ppm):

ppm = masa de soluto x 10⁶ / masa de disolución

Puesto que la densidad de una disolución muy diluida no difiere significativamente de la del agua (1g/mL), puede asumirse que 10⁶ mg de disolución, es equivalente a un litro de la misma. Por tal motivo, puede considerarse que

ppm = mg de soluto / 10⁶ mg de disolución = mg de soluto / L de disolución

Para disoluciones todavía más diluidas la concentración puede expresarse en partes por billón (ppb), es decir masa de soluto x 10⁹ / masa de disolución.

La concentración másica se emplea usualmente para expresar la concentración de disoluciones o de principios activos en colirios, disoluciones tópicas, gotas nasales, jarabes, etc.

Fracción másica.  ω (x)

La fracción másica (ω(x)) expresa la masa de soluto contenida en una unidad de masa de muestra, o lo que es lo mismo, la relación entre la masa de un soluto dado y la masa total de la muestra que lo contiene, y se calcula según:

ω(x) =

masa del soluto x =

masa de muestra

m(x)

m(m)

––––––––

[1.2]

De forma análoga a la explicada para el caso de la concentración másica, las unidades en las cuales puede expresarse la fracción másica dependerán de las unidades en las cuales se exprese la masa de soluto y la masa de la muestra; así, la fracción másica puede expresarse en g/g, mg/g, μg/g, g/kg, mg/kg , μg/g, etc.

La fracción másica suele emplearse con mucha frecuencia para expresar la concentración de un analito en una muestra farmacéutica sólida (mg de principio activo por gramo de granulado, etc.).

Concentración en porcentaje (%)

De manera general, el porcentaje expresa el número finito de unidades contenidas en un conjunto cualquiera por cada 100 unidades del conjunto.

En química analítica, la concentración en porcentaje puede referirse a tres casos diferentes: masa-volumen (%m-V), masa-masa (%m-m) y volumen-volumen (%V-V).

Porcentaje masa-volumen. % m-V

El porcentaje masa-volumen (%m-V) se define como los gramos de soluto contenidos en 100 mL de disolución y se puede calcular a través de la siguiente expresión:

% m − V =

masa del soluto volumen de disolución

––––––––

x 100 =

m (x ) exp resada en g

V (D) exp resado en mL

––––––––

× 100

––––––––

[1.3]

Retomando el ejemplo de la disolución de NaOH obtenida por disolución de 40 g de NaOH hasta 250 mL, expuesto al explicar más arriba la concentración másica la concentración de esta disolución expresada en %m-V será:

%(NaOH) =

40 g

250 mL

––––––––

×  100 = 16 g NaOH / 100 mL de disolución

También, se obtiene el mismo resultado a partir del siguiente análisis:

––––––––

––––––––

x  g de NaOH =

––––––––

40 g

250 mL

––––––––

× 100 = 16 gNaOH / 100 mL de disolución

––––––––

= 16%

Nótese que las unidades de masa y volumen no son arbitrarias, pues para ser consecuentes con el concepto de %m-V, éstas deben expresar la masa de soluto (en gramos) contenida en 100 mL de disolución.

El porcentaje masa-volumen (%m-V) es la forma de expresar la concentración de medicamentos cuya presentación es en forma líquida, como por ejemplo los colirios y las disoluciones tópicas.

Porcentaje masa-masa. % m-m

El porcentaje masa-masa (%m-m) se define como los gramos de un componente contenidos en 100g de una muestra o producto dados y puede calcularse a partir de la siguiente expresión:

%m − m =

m(analito)exp resada en g

m(muestra)exp resada en g

––––––––

× 100

––––––––

[1.4]

Esta es una forma muy conveniente de expresar la concentración de analitos en muestras sólidas, por lo que es comúnmente se utiliza para expresar el % de pureza de las materias primas sólidas que se emplean en la industria farmacéutica.

El % m-m es también la forma de expresión de la pureza de algunos reactivos acuosos comerciales como por ejemplo los ácidos sulfúrico, clorhídrico, nítrico y el amoníaco. Nótese que, en este caso, ni los solutos ni los reactivos son sólidos. El % de pureza de tales productos comerciales se encuentra especificado, en la etiqueta del frasco o envase de presentación, y es un dato de mucha utilidad cuando se requiere preparar disoluciones a partir de ellos, lo cual será explicado detalladamente en el Capítulo 3.

Porcentaje volumen- volumen. % V-V

El porcentaje volumen-volumen se define como los mL de soluto líquido contenido en 100 mL de disolución y puede calcularse según:

% V − V =

volumen del soluto líquido (x) ×

volumen de disolución

––––––––

100 =

V(x)

V(D)

––––––––

x 100

––––––––

[1.5]

Esta forma de expresar la concentración es la que se emplea para expresar el grado alcohólico de disoluciones de etanol pero es la de menos utilización en análisis farmacéutico.

Existen también otras dos formas de expresar la concentración que se aplican a disoluciones de uso frecuente en la química cuantitativa. Ellas son las expresiones de concentración molar y concentración molar de equivalentes.

Concentración molar. c(x)

La concentración molar representa la cantidad de sustancia (moles) de soluto contenida en un litro de disolución. Se expresa en mol/L, y puede calcularse según:

––––––––

donde:

––––––––

c (x) =

cantidad de sus tan cia =

volumen de disolución

n(x)

V (D)

––––––––

[1.6]

n(x) es expresada en moles y V(D) en litros.

La cantidad de sustancia, n(x), puede calcularse según:

n(x) =

m(x)

M(x)

––––––––

[1.7]

siendo m(x) la masa de sustancia expresada en gramos y M(x), su masa molar expresada en g/mol. Por tanto,

––––––––

c (x) =

m(x)

M(x)

V (D)

––––––––

[1.8]

Así, por ejemplo, si se disuelven 6,3 g de ácido oxálico dihidratado (H2C2O4 . 2H2O) en agua, hasta completar 500 mL de disolución la concentración molar de esta última será:

––––––––

c (H2 C2O 4

––––––––

. 2H2O) =

––––––––

6,3 g

126 g / mol 0,5 L

––––––––

= 0,1 mol / L

Concentración molar de equivalentes.  c (x/z*)

La concentración molar de equivalentes expresa la cantidad de sustancia de equivalentes (moles de equivalentes) de soluto contenida en un litro de disolución. Se expresa en mol/L y puede calcularse a través de la siguiente expresión:

c (x / z* ) =

donde:

cantidad de sus tan cia de equivalentes volumen de disolución

––––––––

= n(x / z* ) V (D)

––––––––

[1.9]

n(x/z*) es expresada en mol y V(D), en litros.

Cabe recordar que z* es el número de equivalencia, es decir es el número de iones H+, iones OH-, cargas positivas, cargas negativas o electrones que aporta, requiere o intercambia la sustancia considerada en una reacción dada; y (x/z*), son los equivalentes.

La diferencia entre esta expresión y la concentración molar radica en el concepto de cantidad de sustancia de equivalentes (n(x/z*)) la cual se define como el número de moles químicamente equivalentes de una sustancia en una reacción química dada.

La (n(x/z*)) puede calcularse según

––––––––

donde:

n (x/z* ) =

m (x) M (x/z* )

––––––––

[1.10]

m(x) es la masa de sustancia expresada en gramos y M(x/z*) es la masa molar del equivalente expresada en g/mol, que resulta del cociente entre la masa molar M(x) y el número de equivalencia (z*) de la sustancia en la reacción dada.

Dada su importancia para el análisis volumétrico, más adelante en el epígrafe 1.1.7., se tratará más detalladamente la forma de calcular la masa molar del equivalente de las especies químicas según la reacción en que participen. No obstante, a continuación se explicará un ejemplo de ese cálculo para el caso de la reacción entre el ácido oxálico y el hidróxido de sodio, la cual puede ser representada según:

H2C2O4 + 2NaOH  Na2C2O4 + 2H2O

Como puede apreciarse, un mol de H2C2O4 requiere de dos moles de NaOH para completar la reacción, por cuanto son dos los iones H+ que requieren ser neutralizados y cada mol de NaOH aporta solo un ión OH-.

Conforme a la definición más arriba indicada, el número de equivalencia (z*) para el H2C2O4 y para el Na2C2O4 será igual a 2, en tanto para el NaOH será igual a 1.

Entonces, las masas molares del equivalente (redondeadas a números enteros) de estas tres sustancias pueden calcularse de la siguiente forma:

⎛ H2C2O 4 .

2H2O ⎞ ⎛ H2C2O 4

. 2H2O ⎞ 126 g / mol

M ⎜

⎝ z*

⎟ = M ⎜

⎠ ⎝

⎟ =

2 ⎠ 2

= 63 g / mol

⎛ Na 2C2O 4  ⎞ ⎛ Na 2C2O 4  ⎞

134 g / mol

M ⎜ ⎟ = M ⎜ ⎟ =

z* 2

= 67 g / mol

2

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

M ⎛ NaOH ⎞

= M ⎛ NaOH ⎞ =  40 g / mol

= 40 g / mol

⎜ ⎟

⎝ z* ⎠

⎜ ⎟

⎝ 1 ⎠ 1

Por tanto, para la disolución preparada por disolución de 6,3 g de ácido oxálico dihidratado

(H2C2O4 . 2H2O) en agua destilada hasta completar 500 mL, la concentración molar de equivalentes será igual a:

⎛ H2C2O 4 . 2H2O ⎞

6,3 g

63 g / mol

c⎜ ⎟ =

⎝ 2 ⎠

0,5L

= 0,2 mol / L

Nótese que la magnitud de la concentración molar de equivalentes del ácido oxálico es el doble de la magnitud de su concentración molar [0,2 mol/L = 2(0,1 mol/L)], puesto que un mol de H2C2O4 . 2H2O representa dos moles de equivalentes del ácido. Por tanto, la concentración molar de equivalentes puede también obtenerse según:

c(x/z*) = c(x) x z* [1.11]

Para el caso considerado del ácido oxálico quedaría:

⎛ H2C2O 4 .

2H2O ⎞

c ⎜

⎝ z *

⎟ = c (H2 C2 O 4 × 2H2 O) x z *

⎠

⎛ H2C2O 4 . 2H2O ⎞

c ⎜ ⎟

⎝ 2 ⎠

= 0,1 mol / L x 2

⎛ H2C2O 4 . 2H2O ⎞

c ⎜ ⎟

⎝ 2 ⎠

= 0,2 mol / L

De forma análoga, la concentración molar de la disolución de Na2C2O4 será la mitad de la magnitud de su concentración molar de equivalentes pero, para la disolución de NaOH, ambas concentraciones tendrán el mismo valor por cuanto su número de equivalencia es igual a 1.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) instituyó a principios de la década de los años 80, como parte del Sistema Internacional de Unidades, los términos de concentración molar y concentración molar de equivalentes. Sin embargo, en la práctica estos términos aún no se han generalizado y en la mayoría de los textos y literatura científica (incluidas las farmacopeas) que no han adoptado el Sistema Internacional de Unidades (SI) la expresión cantidad de sustancia de equivalentes de una especie dada aparece como número de equivalentes (o número de miliequivalentes cuando resulta más conveniente), mientras que la masa molar del equivalente aparece como equivalente gramo (o miliequivalente gramo). Igualmente se siguen empleando las tradicionales denominaciones de NORMALIDAD (para referirse a la concentración molar de equivalentes) y MOLARIDAD (para referirse a la concentración molar). Estas denominaciones no indican de forma explícita (aunque sí implícitamente) las unidades (mol/L) en que se expresan ambas formas de concentración.

Así, una disolución de HCl de concentración molar de equivalentes de 0,1 mol/L se representa como 0,1 N (0,1 normal), mientras que una de concentración molar igual a 0,1 mol/L, se representa como 0,1 M (0,1 molar).

Con el objetivo de que los estudiantes se familiaricen con ambas terminologías, en este texto se emplearán, indistintamente, los términos de concentración molar del equivalente o normalidad, y concentración molar o molaridad.

En resumen, existen múltiples formas de expresar la concentración de una disolución; la utilización de una u otra depende del objetivo para el cual se haya preparado la misma o para el cual se deba realizar el cálculo.

Como ejemplo de las formas en que puede expresarse la concentración para una misma disolución, tomaremos la que resulta de disolver 1,58 g de permanganato de potasio (KMnO4) en agua destilada hasta completar un volumen total de 250 mL. La concentración podrá ser expresada en:

a)  porcentaje masa – volumen.

% m − v =

m(KMnO4 ) V(D)

––––––––

x 100

% m − v =

1,58 g

250 mL

––––––––

x 100

––––––––

= 0,63%

b)  en unidades de concentración másica.

ρ (KMnO 4 ) =

m(KMnO 4 ) =

V (D)

1,58 g

250 mL

––––––––

= 0,0063 g / mL

ρ (KMnO 4 ) =

0,0063

g / mL =

6,3

g / L =

6,3 mg / mL

= 6300 mg / L = 6300 ppm

c)  en unidades de concentración molar.

m(KMnO 4 )

––––––––

1,58 g

c (KMnO 4 ) =

n(KMnO 4 )  =

V (D)

M(KMnO 4 ) V (D)

=  158 g / mol

0,25 L

= 0,04 mol / L

= 0,04 M

d)  en unidades de concentración molar de equivalentes

m(KMnO 4 )

⎛ KMnO 4 ⎞

n(KMnO 4 / z* )

M(KMnO 4 / z* )

c ⎜ ⎟ =

⎝ z * ⎠

=

V (D)

––––––––

V (D)

El MnO - es un agente oxidante fuerte que en medio ácido se reduce a Mn²+, intercambiando 5 electrones, según:

MnO - + 8H+ + 5e  Mn²+ + 4H O

Por tal motivo, el número de equivalencia de KMnO4 es igual a 5. Entonces:

M ⎛ KMnO4 ⎞ = M(KMnO4 ) = 158 g / mol

––––––––

= 31,6 g / mol

⎜ ⎟

⎝ z * ⎠ 5 5

⎛ KMnO 4 ⎞

y  la c ⎜

⎝

⎟

z * ⎠

de la solución sería igual a :

1,58 g

c ⎛ KMnO4 ⎞ =

31,6 g / mol

= 0,2 mol / L

= 0,2 N

⎜ ⎟

⎝ 5 ⎠

0,25 L

El conocimiento de las diferentes formas de expresar la concentración y las posibilidades y vías de conversión entre ellas son de importancia vital en las ciencias farmacéuticas.

1.1.4.  El equilibrio químico

Dada la importancia que presenta el equilibrio químico en el análisis químico cuantitativo, será necesario retomar este concepto en múltiples oportunidades durante el desarrollo de los diferentes métodos que serán abordados en el presente texto. No obstante, en este capítulo serán repasados algunos aspectos esenciales.

En primer lugar, debe tenerse siempre presente que las reacciones químicas no son completas sino que se desarrollan hasta que la relación entre las concentraciones molares entre los productos y reaccionantes es constante. Esta relación numérica, llamada constante de equilibrio, es de gran importancia práctica en el estudio y aplicación de los métodos cuantitativos de análisis.

Si se tiene en cuenta que en los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo se desarrolla, generalmente, una reacción química que involucra directa o indirectamente al analito, y que debe asegurarse que tales reacciones ocurran de la forma más completa posible para garantizar resultados que realmente reflejen la cantidad del mismo presente en la muestra, todo lo relacionado con el alcance del equilibrio químico de tales reacciones resulta de sumo interés para el analista.

Debe entonces tenerse presente que, si se considera como ecuación general de un sistema en equilibrio:

a A + b B  d D +  e E

donde A y B son los reaccionantes; C y D, los productos de la reacción y las letras minúsculas, sus respectivos coeficientes estequiométricos, la constante de equilibrio deberá ser expresada según:

K eq =

[c(D)]d

[c(A)]a

[c(E)]e

[c(B)]b

––––––––

[1.12]

en la cual, para el caso concreto de las reacciones que ocurren en fase gaseosa, deberán aparecer las presiones parciales de los gases participantes.

Las expresiones de las constantes de equilibrio para las diferentes reacciones permiten predecir la dirección en que ocurre una reacción y en qué medida está favorecida esa dirección, pero no ofrecen información sobre la velocidad con que se desarrollará hasta alcanzar la condición de equilibrio. El valor numérico de la constante de equilibrio dependerá de la temperatura, y es independiente del camino por el cual el equilibrio ha sido alcanzado.

Como ya se ha mencionado antes, al estudiar los diferentes tipos de reacciones de interés en el análisis cuantitativo, deberán tomarse en cuenta todos estos aspectos.

1.1.5.  Ácidos y bases

El concepto del comportamiento ácido – base de una sustancia dada en disolución, fue propuesto por Brönsted y Lowry en el año 1923. Tal concepto expresa lo siguiente:

...un ácido es una sustancia capaz de ceder un protón y una base es una sustancia que puede aceptar un protón. Para ello, deberá estar presente un aceptor o donador de protones respectivamente.

Este concepto incluye que cada ácido tiene asociada una base conjugada y cada base, un ácido conjugado.

Muchos disolventes son aceptores o dadores de protones y por tanto inducen el comportamiento ácido o básico en solutos disueltos en ellos.

El agua es un disolvente anfiprótico típico, capaz de comportarse como dador o aceptor de protones en dependencia del soluto presente, lo cual puede ejemplificarse según:

––––––––

Puede observarse que un ácido, después de ceder un protón, se convierte en su base conjugada, la que a su vez se comporta como aceptora de protones (ácido) para volver a la forma ácida original. Similarmente ocurre con la base y su ácido conjugado.

A su vez, el agua es un disolvente anfiprótico, o sea, sufre su propia disociación o autoprotólisis, para formar un par de especies iónicas mediante una reacción ácido – base. Otros ejemplos de disolventes anfipróticos lo constituyen el metanol y el amoníaco.

H2O  + H2O  H3O+ +  OH – CH3OH + CH3OH CH3OH2 + + CH3O – NH3  +    NH3      NH4 +    +    NH2 –

Para el caso del agua, el catión producido se denomina ión hidronio. Esta es la especie más estable de todas las que pueden formarse por enlaces covalentes del protón con los pares de electrones no compartidos del oxígeno, por lo que se utiliza para