Los estándares primarios y secundarios en química

En todo el mundo se están produciendo reacciones químicas en este mismo momento: en los laboratorios químicos y farmacéuticos, en innumerables instalaciones industriales y en tu propio cuerpo.

Un rasgo característico de todas las reacciones es que las moléculas se combinan en proporciones molares, es decir, proporciones conocidas de partículas y relacionadas con el número de átomos o moléculas que participan, en lugar de proporciones de masa. Esto sucede aunque las proporciones de masa pueden determinarse en ciertas reacciones a partir de los pesos moleculares individuales de las partículas constituyentes.

La valoración es un proceso que suele utilizarse para regular una reacción química de una solución. Este proceso tiene como base las sustancias y compuestos que aquí se denominan sustancia estándar primarias.

¿Qué es la valoración?

Puede haber ocasiones en las que sea necesario mezclar los volúmenes de dos soluciones de reactivos de masas conocidas, pero solo se conozca la concentración molar de una de ellas. Si sabemos cuándo se ha completado la reacción, se pueden utilizar las relaciones molares para calcular el número de moles de producto que se han hecho, y utilizar este número sumado al del volumen de la solución desconocida para determinar la concentración molar de la solución desconocida.

Para que este método sea útil, la concentración de la solución de referencia (o valorante) debe conocerse con mucha precisión. De no ser así, los errores en este valor se propagarán en errores en la concentración de la incógnita en sus cálculos.

Los estándares primarios y la solución estándar primaria

Los estándares primarios se utilizan ampliamente en la química analítica. En este caso, se elige un reactivo que sea fácil de pesar, que tenga poca reactividad con otras sustancias, que sea puro, que no cambie de peso cuando se exponga a condiciones de humedad y que tenga un peso equivalente elevado. Hay características que, a la hora de elegir una sustancia, no tienen tanta relevancia. Las que más destacan son la existencia de la sustancia que se cataloga como norma de calidad ambiental o primaria y la poca toxicidad, con el fin de que los peligros de su utilización disminuyan. Algunos ejemplos de estándares primarios son los ácidos de valoración y las valoraciones redox.

Una solución estándar primaria o patrón primario es aquella en la que la concentración de un determinado reactivo es muy fiable, por lo que sirve para comparar con otras concentaciones. Se obtiene a partir de una valoración estándar primaria de una sustancia especial llamada, por supuesto, sustancia estándar primaria.

Características de la sustancia estándar primaria

Para crear un patrón primario o sustancia primaria, es necesario diluir esta sustancia en agua pura. Es fácil imaginar cómo un error que podría tolerarse en un típico experimento de laboratorio de química, y que de hecho sería un resultado excelente en ese contexto, se volvería inaceptable cuando se requiere una precisión realmente alta.

Existen cuatro cuestiones de suma importancia en una sustancia que ha sido catalogada como sustancia estándar primaria. Aquí se enumeran.

1. Una sustancia estándar primaria es pura. Si hay impurezas en el sólido, esto interferirá con el cálculo de la molaridad de la supuesta solución estándar y causará otros problemas. Una pureza del 99.9 (999 partes en 1000) se considera aceptable para una sustancia estándar primaria. El carbonato de sodio (Na₂CO₃) está disponible en este nivel de pureza.
2. Una sustancia estándar primaria es abundante y económica. Muchas sustancias son baratas y fáciles de encontrar, pero resulta difícil mantener su pureza. Este es el caso del hidróxido de sodio (NaOH, también llamado soda cáustica o sosa cáustica), que es una base que puede utilizarse para valorar ácidos. La sosa cáustica es propensa a atraer agua del ambiente en cantidades mínimas. Así sucede también con otro tipo de compuestos al ser empleados.
3. Una sustancia estándar primaria tiene una fórmula conocida. Algunas sustancias se disuelven en agua para dar una mezcla de compuestos relacionados. Por ejemplo, cuando el ácido nítrico (HNO₃) se disuelve en agua, siempre estará presente en la solución una cantidad desconocida de ácido nitroso (HNO₂), que interactuará con las moléculas de la reacción en cuestión provocando el fracaso del proceso.
4. Una sustancia estándar primaria permanece inalterada durante el pesaje. Un problema al que los científicos se han enfrentado desde tiempos inmemoriales es el de desarrollar sistemas de medición que no alteren la propia cantidad medida. Cuando se pesa una sustancia, esta pasa por un proceso de contacto físico. Este proceso puede generar cambios en la masa o pureza de la sustancia, así como en otras propiedades fundamentales en una sustancia de este tipo. Por tanto, también puede verse afectado el proceso en el que esta sustancia vaya a participar.

Sustancia y solución estándar secundaria

Las sustancias que no pueden mantenerse al aire libre porque reaccionan fácilmente con los componentes del aire (O₂, CO₂, etc.) o con la balanza al ser pesadas, se denominan sustancias estándares secundarias. Algunos ejemplos de sustancias estándar secundarias son el ácido clorhídrico (HCL), el ácido sulfúrico (H₂SO₄), el hidróxido de sodio (NaOH), el hidróxido de potasio (KOH) y el permanganato de potasio (KMnO₄), entre otros.

Al contrario que el estándar primario, un estándar secundario se usa en química para hacer análisis concretos de estas sustancias en laboratorios. Por lo general, no se mantiene constante y su concentración disminuye con el tiempo, por lo que las mediciones de alta precisión que se realizan durante la preparación no se mantienen en el tiempo. Una sustancia secundaria suele estar normalizada con respecto a una norma primaria.

En general, las sustancias como el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico no son adecuadas para su uso como patrones primarios, ya que no puede conocer con exactitud el nivel de concentración de los ácidos concentrados disponibles en el mercado.

Sin embargo, se puede preparar una solución débil de estos ácidos con una concentración estimada y resolver después correctamente la concentración por valoración con una solución estándar primaria de una base como el carbonato de sodio (Na₂CO₃).

Un estándar secundario es un producto químico o reactivo que tiene ciertas propiedades. Entre estas se destacan:

• Es menos estable y más reactivo que el estándar primario.
• Su solución permanece estable durante un largo periodo de tiempo.
• Es menos puro que el estándar primario.
• Está titulado a partir del estándar primario.

Fuentes

• Camacho, A. (2017). ¿En qué consiste la solución estándar?
• Galano, A. y Rojas, A. (s.f.). Sustancias patrones para estandarización de ácidos y bases.
• Helmenstime, A. (2021). What Is a Primary Standard in Chemistry?