Volumetría de Neutralización

 

VOLUMETRÍA DE NEUTRALIZACIÓN   OBJETIVOS Determinar la concentración Normal de una solución alcalina (solución de NaOH) titulando con una solución valorada de un ácido (solución de HCl). • Determinar la concentración Normal de una solución ácida (solución de HNO 3) titulando con la solución alcalina (solución de NaOH). •

INTRODUCCIÓN:   Volumetría: análisis químico cuantitativo que consiste en determinar el volumen de

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solución soluci ón de concen concentra tració ción n conoc conocida ida (soluc (solución ión val valora orada) da) nec necesa esario rio para para la rea reacci cción ón cuantitativa con un volumen dado de solución de concentración incógnita.     Volumetría de Neutralización: volu volumetría metría en la cual la reacción que se desarrolla desarrolla es entre ácidos y bases. Existen además volumetrías de óxido-reducción, de complejometría y de precipitación.  Solución Valorada: solución de concentración exactamente conocida, que contiene una masa conocida de soluto en un volumen definido de solución o de solvente. Sustan Sus tancia cia Pat Patrón rón Prim Primari ario: o: su sust stan anci cia a que que se de debe be ob obte tene ner, r, pu purif rific icar ar y se seca car  r  fá fáci cilm lmen ente te,, no debe debe al alte tera rars rse e al air aire e (n (no o debe debe abso absorb rber er hu hume meda dad, d, ni ox oxid idar arse se,, ni • 

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combinarse consuel contenido dióxido deen carbono atmosférico), alterarse acción %, de deben la luz oser  el calor. Además impurezas no debe ni exceder de por 0,01-0,02 fá fáci cill de diso disolv lver er y mant manten ener er su comp compos osic ició ión n aú aún n de desp spué uéss de la larg rgo o titiem empo po.. En la lass re reac acci cion ones es de neut neutra raliz lizac ació ión n ácid ácidoo-ba base se lo loss pa patr tron ones es prima primari rios os má máss us usad ados os so son: n: carbonato de sodio (Na2CO3) y biftalato de potasio (KH.C 8H4O4).   Titulación (valoración): operación que permite determinar la concentración de una solución mediante el agregado de una solución valorada en la cantidad adecuada para que la reacción entre ambos reactivos sea total.   Punto de Equivalencia: momento en el cual el número de equivalentes del ácido y de la base se igualan.     Punto Final: etapa en que se finaliza la titulación, idealmente debería coincidir con el punto de equivalencia. En la práctica la coincidencia se da (o se aproxima a ella) cuando se utiliza un instrumento (por ejemplo un peachímetro) para detectar el punto final. En cambio cuando se utiliza un reactivo indicador puede haber diferencia entre ambos puntos, en muchos casos la diferencia es menor a una gota de solución del titulante.   Indicadores: sustancia orgánica que produce un cambio visualmente nítido, cambio de color o enturbiamiento, en la solución que se titula cuando se llega al punto final de la titulación. En ciertos casos una de las sustancias reaccionantes funciona como indicador  como por ejemplo el KMnO4 y el IO3-. En las reacciones de neutralización, los indicadores utilizados (indicadores ácido-base), se caracterizan por presentar diferentes colores según la concentración de ión hidrógeno [H+], del medio en el cual están disueltos. Su característica fundamental es que producen un cambio gradual del color en cierto intervalo de pH (generalmente de dos unidades) denominada zona de viraje del indicador , la cual debe contener el pH correspondiente al punto de equivalencia.  Curva de Titulación: representación gráfica del desarrollo de la valoración, en el eje de ordena ord enada da se represen representa ta las varia variacio ciones nes de pH y en el eje de abs abscis cisa a el vol volume umen n de reactivo titulante agregado. • 

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La titulaci titulación ón ácido-b ácido-bas ase e es una técnica técnica de análisis análisis que se usa par para a con conoce ocerr la Normalidad de las soluciones acuosas ác ácidas idas (acidimetría) y alcalinas (alcal (alcalimetría). imetría). La alcalimetría es la valoración de una sustancia alcalina mediante el uso de una solución valorada de un ácido fuerte y la acidimetría es la valoración de una sustancia ácida medi me dian ante te un una a so solu luci ción ón valo valorad rada a de un álca álcalis lis fuert fuerte, e, si sien endo do ambo amboss proc proces esos os de neutralización. Según la teoría de Arrhenius, ácido es toda especie que en medio acuoso genera cationes hidrógenos, H +, y base o álcalis es toda especie que en medio acuoso genera aniones hidróxidos, OH-. El agua pura es una sustancia neutra, al disociarse genera igual cantidad de iones H +

[ H  ][OH  ] +

-

y OH , teniéndose H2O ↔ H + OH . Su constante de disociación iónica es K ii  = +

-

−

[ H 2O ] = 1,8.10-16 a temperatura ambiente, lo cual indica que se disocia muy poco y que es un electrolito extremadamente débil. La concentración molar del agua no disociada , [H 2O], es prácticamente constante en el agua pura y en las soluciones acuosas comunes, su 1000 ( g  / l )

valor es [H2O] = 18 ( g  / mol  ) = 55,5 mol/l. El producto Ki.[H2O]= 1,8.10-16. 55,5 = 10-14 , se simboliza Kw y recibe el nombre de producto iónico del agua; Kw= [H+][OH-]. Cuando se disuelve un ácido en agua aumenta la concentración de H +, lo cual determina una disminución en la [OH-]; en cambio cuando se disuelve un álcalis aumenta la concentración de OH-, lo cual determina una disminución en la [H+] y una variación en +

[H ]  pH = - log el pH del medio yaseque Estos conceptos expresan matemáticamente y ya que pH=-log [H+] y pOH=-log[OH-] y que pH+pOH=14, se tiene:

* H2O pura o solución neutra [H+] = [OH-] = 10-7M; pH = pOH = 7 * Soluciones ácidas [ H+]  > 10-7M [OH-] < 10-7M; pH < 7 y pOH > 7 * Soluciones alcalinas [ OH-] > 10-7M [H+] < 10-7M; pH > 7 y pOH < 7

En una acidimetría, entre un ácido fuerte y una base fuerte,(tener presente que en una alcalimetría el proceso es inverso) inicialmente en la solución que se titula la [H+] es máxima, por ello el pH del medio es mínimo, a medida que se adiciona solución alcalina titu titula lant nte e valo valora rada da,, lo loss H+ se comb combin inan an eq equi uiva vale lent ntem emen ente te co con n lo loss OH- agregados, formándose H2O en proporciones estequiométricas. El agregado de solución alcalina se debe realizar hasta hasta llegar a un punto de eq equivalencia, uivalencia, donde [OH-] agregada es igual a la [H+]iniciales , ya que las sustancias reaccionan equivalente a equivalente. Antes del punto de equiv equivalenc alencia ia existe en el medio un exc exceso eso de H+ , al llegar a éste las concentraciones de H+ y de OH- son iguales y luego del mismo existe un exceso de OH- , por ello en sus inmediaciones se produce un cambio brusco del pH, pasando de ácido a neutro e inmediatamente a alcalino.  Para reconocer el punto de equivalencia se puede agregar un reactivo r eactivo indicador o bien medir el pH de la solución resultante, midiéndose también el volumen titulante agregado. Cuando se usa indicador, su zona de viraje debe coincidir con la zona de pH en la que se encuentra el punto de equivalencia. Si se realizan mediciones con peachímetro, luego de cada agregado de reactivo tititu tula lant nte e se de debe be medi medirr el pH de dell me medi dio. o. Con Con lo loss resu resultltad ados os ob obte teni nido doss (pH (pH y ml adicionados) se puede construir u un n gráfico llamado curva de titulación titulación. Al construir la curva se puede observar que en la zona del punto de equivalencia se produce un brusco incremento que en su punto medio muestra un cambio en su pendiente. Se determina así el punto de inflexión de la curva y consecuentemente el pH titulante agregado correspondiente al pto de equivalencia . y el volumen de reactivo

 

 

Fundamentos de los Cálculos en Titulometría:  Usando los subíndices a y b para caracterizar al ácido y a la base se tiene que en cualquier etapa de la titulación el volumen total de solución es V = Va + Vb. Cuando la titulación es entre ácidos fuertes y bases fuertes se tiene: * antes del pto de equivalencia: En acidimetría, existe un exceso de ácido no neutralizado, por ello

[H+]=

V a N a

En alcalimetría, existe un exceso de base no neutralizado, por ello [OH-] =

−

V b N b

V t  V b N b

−

 

V a N a

V t 

* en el pto de equivalencia:  Se tiene que Va Na= Vb Nb por ello [H+] = [OH-] = 10-7M. Los equivalentes de la especie titulada contenidos en Va o Vb utilizado, es V.N. Si se multiplica a los equivalentes por la masa de un equivalente se obtienen los gramos de la especie disuelta en el volumen titulado. * después del pto de equivalencia:  En acidimetría, existe un exceso de álcalis [OH-] (eq/l) = En alcalimetría, existe un exceso de ácido [H+] (eq/l) =

V b N b

−

V a N a

V t  V a N a

−

V t 

V b N b

 

Luego se calcula la [H+] o de [OH-] anteriores a partir de K w = [H+]  [OH-] para cada caso. Respecto a los reactivos indicadores se utilizan generalmente soluciones alcohólicas de ellos, los más usados para reacciones de neutralización los que se mencionan a continuación junto con sus zonas de virajes y los colores respectivos.

 

Indicador

pH zona viraje

Cambio de Color

VBC(verde bromo cresol)

3,8 – 5,4

Amarillo → azul

Anaranjado de Metilo

3,1 – 4,4

Rojo → amarillo

Rojo neutro

6,8 – 8,0

Rojo → anaranjado

Azul bromo timol

6,0 – 7,6

Amarillo → azul

Fenolftaleína

8,3 – 10,0

Incoloro → fucsia

Azul timol

8,0 – 9,6

Amarillo → azul

MATERIAL NECESARIO: • Erlenmeyer (125 – 250 ml). • Bolpipeta (10 ml). • Solución HCl 0,1 N. • Soporte bureta. • Solución fenolftaleina.

• Embudo (φ = 5 cm). • Bureta (25 – 50 ml). • Solución NaOH de Normalidad incógnita. • Solución HNO3 de Normalidad incógnita.

TÉCNICA OPERATORIA: ALCALIMETRÍA (VALORACIÓN DE SOLUCIÓN de NaOH con SOLUCIÓN de HCl 0,1N)   Se colocan en un erlenmyer 10 ml de solución de NaOH cuya concentración se desea des ea deter determin minar, med medido s con la bolpi boaparición lpipet peta. a. Se ad adici iciona onan nrosa 3–4intenso got gotas as característico de sol soluci ución ón del de fenolftaleína, se ar, agita, seidos observa de un color indicador en medio francamente alcalino. Se coloca el titulante, una solución de ácido se clorhídrico HCl 0,1N previamente valorada con Na2CO3 como patrón primario, en la bureta (enjuagada previamente con pequeñas porciones de la misma solución. Tener precaución que quede llena la porción que se encuentra por debajo del robinete, r obinete, eliminar el excedente enrasando a cero ml. Se ad adic icio iona na el re reac actitivo vo titu titula lant nte e de a gota gotass de desd sde e la bure bureta ta co con n ag agita itaci ción ón de dell erlenmeyer después de cada agregado, observándose que a medida que transcurre la titulación la tonalidad rosada se presenta cada vez más clara. En las proximidades del pto de equivalencia se debe leer continuamente el volumen de ácido agregado de forma tal de que con la primera gota agregada que ponga la solución incolora en su totalidad se dé por finalizada la operación.

ACIDIMETRÍA (VALORACIÓN DE SOLUCIÓN de HNO3 con SOLUCIÓN de NaOH)  Se colocan en un erlenmeyer 10 ml medidos con bolpipeta de solución de HNO3 cuya concentración se desea determinar. Se adicionan 3–4 gotas de solución de fenolftaleína, se agita y se observa que la solución permanece incolora característica del indicador en medio francamente ácido. La solución de NaOH valorada antes se coloca en la bureta (previamente enjuagada con esta solución). Tener Tener precaución de que quede quede llena la porción que se enc encuentra uentra por  debajo del robinete, eliminar el excedente enrasando a cero ml. Se ad adic icio iona na el re reac actitivo vo titu titula lant nte e de a gota gotass de desd sde e la bure bureta ta co con n ag agita itaci ción ón de dell erlenmeyer después de cada agregado, observándose que a medida que transcurre la titulación y en las proximidades del pto de equivalencia aparece una tonalidad rosada que rápidamente desaparece, a partir de allí se debe leer continuamente el volumen de   ácido agregado de forma tal de que con la primera gota agregada que logre una coloración que persista por 20 segundos se dé por finalizada la operación.

 

En la práctica es más difícil detectar el cambio de color de rosado a incoloro (alcalimetría) que a la inversa (acidimetría), esta característica se corrobora observando en los gráficos que el cambio de pendiente es más difuso en el segundo caso. SECUENCIA DE LAS OPERACIONES : ALCALIMETRÍA:   ÁLCALIS

AGREGAR

SCIÓN NaOH

FENOLFTALEÍNA

CARGAR BURETA

TITULAR

SCIÓN HCl

CON AGITACIÓN

APARICIÓN

LEER VOLUMEN

INCOLORO

SCIÓN ÁCIDO

APARICIÓN

LEER VOLUMEN

ACIDIMETRÍA: ÁCIDO SCIÓN HNO3

AGREGAR FENOLFTALEÍNA

CARGAR BURETA SCIÓN NaOH

TITULAR CON AGITACIÓN

ROSADO

SCIÓN ALCALIS

 

CÁLCULOS: ALCALIMETRÍA:

Datos: Vb = 10 ml; Na = 0,1 N Dato obtenido experimentalmente: Va ml  N a (eq / l ).V a ( ml  )

Aplicando la fórmula para el punto de equivalencia N b (eq/l) =

V b ( ml  )

ACIDIMETRÍA

Datos: Va = 10 ml; Nb= determinado antes Dato obtenido experimentalmente: Vb ml Aplicando la fórmula para el punto de equivalencia Na (eq/l) =

 N b (eq / l ).V b ( ml  ) V a ( ml  )

PLANTEOS PARA LA REFLEXIÓN Y CONSOLIDACIÓN DEL APRENDIZAJE: * Cual es la condición que satisfacen los ácidos y la base utilizadas? * Si no dispusiese de fenolftaleína, que indicador utilizaría? * Porque el agregado de reactivo r eactivo titulante en la inmediaciones del punto de equivalencia se debe efectuar lentamente y con agitación? * Como calcula el pH de la solución de NaOH una vez determinada la Nb? * Cual la razónácidos por laycual el reactivo titulante colocarseque en la bureta? Si se es utilizaran bases débiles el pH de debe las soluciones valores tendría?

BIBLIOGRAFÍA: *  “Química Analítica Cuantitativa”, A. Vogel, , ed Kapeluz; 1974 Buenos Aires, 1978. *  “Química Analítica Cualitativa” , A. Vogel, ed Kapeluz, 1974 Buenos Aires, 1978. *  “Química” , R. Chang, ed Mc Graw Hill, 1992 *  “Análisis químico cuantitativo", Koltoff, Sandell, Mehan y Bruckenstein: ed Nigar, Bs As * “Química General" , K. Whitten, R. Davis, M. Peck. McGraw - Hill 5ta. edición, 1999. *  “Handbook of Chemistry and Physics” , ed R. Weast, 1980, Florida.  * “Guías de Trabajos Prácticos”, Welfir Suarez, UDB Química, UTN FRSF. * “Guías Trabajos Prácticos”, Castiglioni M y Delgado O, UDB Química, UTN FRS, 2003.