Núcleo Temático 7. Titulaciones Ácido Base. opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg 30/06/2010

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1 qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui Núcleo Temático 7 Titulaciones Ácido Base opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg 30/06/2010 Profa. Anara González Carías (2da versión adaptada al semestre I-2010) hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert [Escribir texto] Página 1 yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas

2 Núcleo Temático 7. Titulaciones Ácido Base Competencias a desarrollar por el estudiante: Explica con ejemplos en el pizarrón la estequiometria de las reacciones ácido-base. Explica la importancia de una curva de ácido-base Explica cómo obtener teóricamente una curva de teórica. Explica cómo obtener una curva ácido-base experimental. Calcula el ph a diferentes puntos de una ácido-base. Establece la escogencia del indicador apropiado. Subnúcleos Temáticos Titulaciones Ácido- Base. Estequiometría ácido-base. Indicadores ácido-base. Curvas de - Ácido fuerte con base fuerte - Ácido débil con base fuerte - Base débil con ácido fuerte - Ácido débil con base débil - Ácido débil poliprótico con base fuerte - Base débil poliprótica con ácido fuerte INTRODUCCIÓN Las valores ácido-base o de neutralización se utilizan ampliamente para determinación de cantidades de ácidos y bases. Además, pueden ser empleadas para monitorizar el avance de reacciones que producen o consumen iones hidrógeno. A modo de ejemplo, en química clínica, resulta posible diagnosticar la pancreatitis midiendo la actividad de la lipasa sérica. Las lipasas hidrolizan los triglicéridos de ácido grasos de cadena larga. En la reacción se liberan dos moles de ácido graso y un mol de β-monoglicérido por cada mol de triglicérido presente, según la reacción siguiente: lipasa triglicérido monoglicérido + 2 ácido graso Si se permite que la reacción transcurra durante un cierto tiempo, se puede valorar entonces el ácido graso liberado con NaOH empleando un indicador de fenolftaleína o un medidor de ph. La cantidad de ácido graso producida en un tiempo fijo está relacionada con la actividad de la lipasa. Año 2010 Página 2

3 TITULACIONES ÁCIDO BASE Los estudios cuantitativos de las reacciones de neutralización ácido-base se llevan a cabo en forma adecuada por medio de una técnica conocida como. En una TITULACIÓN, una disolución de concentración perfectamente conocida, denominada disolución patrón, se agrega en forma gradual a otra disolución de concentración desconocida hasta que la reacción química entre las dos disoluciones de concentración desconocida hasta que la reacción química entre las dos disoluciones se complete. Si se conocen los volúmenes de las disoluciones patrón y desconocida que se usaron en la, además de la concentración de la disolución patrón, se puede calcular la concentración de la disolución desconocida. El procedimiento para la consiste en tener en un matraz Erlenmeyer una cantidad conocida de ácido y se le agrega agua destilada para hacer la disolución. A continuación, se le agrega cuidadosamente una disolución de NaOH contenida en una bureta hasta que se alcanza el punto de equivalencia. El punto de equivalencia, es el punto en el cual el ácido ha reaccionado o neutralizado completamente a la base. Es el punto en el cual la cantidad de titulante adicionado es estequiométricamente equivalente a la cantidad de analito presente en la muestra. El punto de equivalencia se detecta por un cambio brusco de color de un indicador que se ha añadido a la disolución del ácido. El punto final, es el volumen de titulante requerido para detectar el punto equivalente. Idealmente, el punto equivalente debe ser igual al punto final. Esto rara vez Año 2010 Página 3

4 ocurre debido a los métodos usados para observar el punto final. El resultado de esta diferencia se le denomina error de. ESTEQUIOMETRÍA ÁCIDO-BASE. Ejemplo 1. En un experimento de, un estudiante encuentra que se necesitan 0,5468 g de KPH (ftalato de hidrógeno y potasio) cuya fórmula molecular es KHC 6 H 4 O 4 para neutralizar completamente 23,48 ml de una disolución de NaOH. Cuál es la concentración de la disolución de NaOH? La reacción de esta neutralización es: KHC 6 H 4 O 4 (ac) + NaOH (ac) KNaC 8 H 4 O 4 (ac) + H 2 O (l) La ecuación iónica neta es: HC 6 H 4 O 4 - (ac) +OH - (ac) C 8 H 4 O 4 = (ac) + H 2 O (l) Calculamos los moles de KPH mol Como 1 mol de KPH reacciona con 1 mol de NaOH, debe haber mol de NaOH en 23,48 ml de la disolución de NaOH. Por último, se calcula la concentración de esta disolución: La reacción de neutralización entre el NaOH y el KPH es uno de los tipos más sencillos de reacciones ácido-base que se conocen. Supóngase, que se utiliza un ácido diprótico como el ácido sulfúrico, H 2 SO 4 en la. La reacción se puede representar como: 2 NaOH (ac) + H 2 SO 4 (ac) Na 2 SO 4 (ac) + 2H 2 O (l) En esta ecuación se puede apreciar que 2 moles de NaOH reaccionan con 1 mol de H 2 SO 4, lo que indica que se necesita el doble de NaOH para reaccionar completamente con una disolución de H 2 SO 4. Año 2010 Página 4

5 Ejemplo 2. Cuántos mililitros de una disolución 0,610 mol/l de NaOH se requieren para neutralizar completamente 20 ml de una disolución 0,245 mol/l de H 2 SO 4 La reacción de esta neutralización es: Se calculan los moles de H 2 SO 4 : 2 NaOH (ac) + H 2 SO 4 (ac) Na 2 SO 4 (ac) + 2H 2 O (l) De la estequiometria se ve que 1 mol de H 2 SO 4 reacciona con 2 mol de NaOH. Por lo tanto, el número de mol de NaOH que ha reaccionado debe ser: mol NaOH = 2 (4,90x10-3 mol) = 9,80x10-3 mol Por último, se calculamos el volumen utilizando la ecuación de concentración molar: INDICADORES ÁCIDO BASE Un indicador químico es un ácido o base débil cuya formada disociada tiene diferente color que la forma sin disociar, se tratan por lo general de sustancias que sufren un cambio perceptible de color dentro de un pequeño intervalo de ph. Son sustancias orgánicas que cambian de color al pasar de la forma ácida a la básica: HIn + H 2 O In + H 3 O + Forma ácida Forma Básica El equilibrio entre las dos formas de color se afecta por la concentración de los iones hidrógeno de la solución. Uno de los indicadores más utilizados es la fenolftaelína, cuya forma ácida es incolora y la forma básica rosa fucsia, y cuyo intervalo de viraje se encuentra entre 8 y 10 de ph. Igualmente, para medir el ph de una disolución de manera aproximada en el laboratorio se utiliza habitualmente el papel de tornasol que da una tonalidad diferente según el ph, por contener una mezcla de distintos indicadores. Año 2010 Página 5

6 Nomenclatura común Intervalo de ph del indicador Color en el intervalo de ph indicado Azul de timol (1 paso) 1,2-2-8 Rojo-amarillo Rojo de cresol (1 paso) 1,9-3,1 Anaranjado-amarillo Anaranjado de metilo 3,1-4,4 Rojo-amarillo naranja Azul de bromofenol 3,0-4,6 Amarillo-azul Azul de bromocresol (verde) 3,8-5,4 Amarillo-azul Rojo de metilo 4,2-6,2 Rojo-amarillo Rojo de clorofenol 4,8-6,4 Amarillo-rojo Azul de bromotimol 6,0-7,6 Amarillo-azul Rojo de fenol 6,4-8,0 Amarillo-rojo Rojo de cresol (2 paso) 7,4-9,0 Amarillo ámbar-rojo púrpura Azul de timol (2 paso) 8,0-9,6 Amarillo-azul Fenolftaleína 8,2-10,0 Incoloro-rojo Timolftaleína 9,3-10,5 Incoloro-azul Amarillo de alizarina 10,1-12,1 Amarillo-violeta Errores de valoración con los indicadores ácido base Se distinguen dos tipos de errores de valoración. El primero, un error determinado, se da cuando el ph al que ocurre el cambio de color del indicador no coincide con el ph de equivalencia química. El segundo tipo, un error indeterminado, proviene de la limitada capacidad del ojo humano para distinguir con precisión el punto en que camia el color. La magnitud de este error dependerá de la variación de ph por mililitro de reactivo en el punto de equivalencia, la concentración del indicador, y la sensibilidad del ojo respecto a los dos colores del indicador. Como promedio, la incertidumbre visual con un indicador ácido base corresponde a ±0,5 unidades de ph. Variables que influyen en el comportamiento de los indicadores La temperatura, la fuerza iónica del medio, la presencia de disolventes orgánicos y la presencia de particular coloidal influyen en el intervalo de ph al que determinado indicador muda de color. Algunos de estos efectos, de modo especial los dos últimos, desplazan el margen de viraje en una o más unidades de ph. Año 2010 Página 6

7 CURVAS DE TITULACIÓN La es un procedimiento para determinar la concentración de una disolución mediante otra disolución de concentración conocida, denominada disolución patrón. Para ello, se consideran tres tipos de reacciones: a) Titulación ácido fuerte base fuerte b) Titulación ácido débil base fuerte c) Titulación base débil- ácido fuerte Las titulaciones que incluyen ácido débil y una base débil son más complicadas porque hay hidrólisis tanto del catión como del anión de la sal formada, por esta razón, estas titulaciones casi nunca se llevan a cabo. A. Titulación ácido fuerte base fuerte Para construir la curva hipotética que resulta de valorar una disolución de un ácido fuerte con una base fuerte se deben efectuar tres tipos de cálculo. Cada uno de ellos corresponde a una etapa distinta de la valoración: preequivalencia, equivalencia y postequivalencia. En la etapa de preequivalencia, la concentración del ácido se calcula a partir de su concentración inicial y la cantidad de base que se añade. En el punto de equivalencia, los iones hidronio e hidróxido están presentes en concentraciones iguales, y la concentración de iones hidronio se deriva directamente de la constante del producto iónico del agua. La concentración analítica del exceso de base se determina en la etapa de postequivalencia, y se supone que la concentración de iones hidróxido es igual a la analítica o a un múltiplo de ésta. Año 2010 Página 7

8 B. Titulación ácido débil base fuerte o base débil- ácido fuerte Para derivar una curva de valoración de un ácido débil (o una base débil), se necesitan cuatro tipos de cálculos claramente distintos: - Al principio, la disolución contiene sólo un ácido débil, o bien una base débil, y el ph se calcula a partir de las concentración de ese soluto y su constante de disociación. - Tras añadir varias fracciones del valorante (hasta cantidades muy cercanas, pero no iguales, a la cantidad equivalente), la disolución consiste en una serie de tampones. El ph de cada tampón se calcula a partir de las concentraciones analíticas de la base o del ácido conjugado y de las concentraciones residuales del ácido o base débil. - En el punto de equivalencia, la disolución contiene sólo el conjugado del ácido o base débil que se valora (es decir, una sal), y el ph se calcula a partir de la concentración de este producto. - Después del punto de equivalencia, el exceso del ácido o base fuerte valorante proporciona al producto de la reacción la naturaleza ácida o básica, en una extensión tal que el ph de la disolución viene determinado mayoritariamente por la concentración del exceso del valorante. Año 2010 Página 8

9 EJERCICIOS PROPUESTOS ÁCIDOS 1) 100 ml exactos de ácido nitroso, (HNO 2 ) 0,10 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de sodio, NaOH 0,10 mol/l. Ka= 7,1 x d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml Año 2010 Página 9

10 criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 2) 40 ml exactos de ácido fórmico, (HCOOH) 0,15 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de sodio, NaOH 0,10 mol/l. Ka= 1,8 x 10-4 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 3) 50 ml exactos de ácido clorhídrico, (HCl) 0,25 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de sodio, NaOH 0,20 mol/l. d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 4) 60 ml exactos de ácido fórmico, (HCOOH) 0,15 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de potasio, KOH 0,10 mol/l. Ka= 1,8 x 10-4 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 5) 20 ml exactos de ácido fluorhídrico, (HF) 0,20 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de potasio, KOH 0,20 mol/l. Ka = 7,0x10-4. Año 2010 Página 10

11 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 6) 35 ml exactos de ácido benzoico, (C 6 H 5 COOH) 0,20 mol/l, se titulan con una disolución de hidróxido de sodio, NaOH 0,20 mol/l. Ka = 6,6x10-5. d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del base (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? BASES 1) 60 ml exactos de amoníaco, (NH 3 ) 0,20 mol/l, se titulan con una disolución de ácido nítrico HNO 3 0,10 mol/l. Kb= 1,77 x 10-5 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 2) 50 ml exactos de etilamina, (CH 3 CH 2 NH 2 ) 0,10 mol/l, se titulan con una disolución de ácido clorhídrico HCl 0,05 mol/l. Kb= 6,41 x 10-4 Año 2010 Página 11

12 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 3) 100 ml exactos de metilamina, (CH 3 NH 2 ) 0,25 mol/l, se titulan con una disolución de ácido clorhídrico HCl 0,20 mol/l. Kb= 3,70 x 10-4 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 4) 20 ml exactos de anilina, (C 6 H 5 NH 2 ) 0,20 mol/l, se titulan con una disolución de ácido clorhídrico HCl 0,25 mol/l. Kb= 4,27 x d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 5) 60 ml exactos de anilina, (C 6 H 5 NH 2 ) 0,16 mol/l, se titulan con una disolución de ácido yodhídrico HI 0,20 mol/l. Kb= 4,27 x d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) Año 2010 Página 12

13 e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? 6) 80 ml exactos de etilamina, (CH 3 CH 2 NH 2 ) 0,22 mol/l, se titulan con una disolución de ácido clorhídrico HNO 3 0,22 mol/l. Kb= 6,41 x 10-4 d) En el punto en el que se ha añadido un exceso del ácido (elija el volumen de trabajo) e) Dibuje la curva de correspondiente (volumen gastado del titulante en ml criterios para elegir un indicador en una ácido-base particular? REFERENCIAS - Chang, R. (1999). Química. México: Mc Graw Hill. Sexta edición. - Garzón, G. (1997). Química General. Colombia: Mc Graw Hill. Segunda edición - Gillespie, R., Beltrán, A. (1988). Química. Editorial Reverte, S.A - Skoog D., West D. (1983).Fundamentos de química analítica. Venezuela: Editorial Reverté. - Skoog D, West D, Holler F., Crouch S. (2005).Fundamentos de química analítica. México: Thomson Año 2010 Página 13