UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ANALÍTICA GUIA DE CLASE N 3

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1 UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ANALÍTICA GUIA DE CLASE N NOMBRE DE LA ASIGNATURA: TÍTULO: DURACIÓN: BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA: QUÍMICA ANALÍTICA Análisis Volumétrico ácido-base 6 horas Ayres Gilbert. Análisis Químico Cuantitativo. Edit. Harla: Madrid, 740 p. Riaño Néstor. Fundamentos de Química Analítica Básica. Análisis Cuantitativo. Edit. Universidad de Caldas: Colombia,2 edición, p. Underwood A, Day R. Química Analítica Cuantitativa. Edit. Prentice-Hall: México, p AUTOR: MSc. IQ. Martha Alix Novoa G. DIAGNÓSTICO Para la sesión presencial realizar las siguientes actividades: 1. Consultar los siguientes términos: Patrón primario, Normalidad, 2. Calcular la Normalidad de: a. Una solución de H 2SO 4 formada por 100 mg de ácido en 250 ml de solución. b. 15,0g de Ba(OH) 2 en 1,15L de solución c. 12g de KCN en 200mL de solución. COMPETENCIAS Identificar los conceptos básicos relacionados con el análisis volumétrico ácido-base. Realizar cálculos empleando volumetrías ácido-base. Trazar curvas de titulación de ácido fuerte-base fuerte, ácido débil-base fuerte y viceversa Participar activamente en su autoformación, reconociendo fortalezas y debilidades. CONCEPTUALIZACIÓN 1. INTRODUCCIÓN El procedimiento de titulación, volumetría o valoración consiste en determinar en forma indirecta la cantidad de sustancia, midiendo el volumen de una disolución de concentración conocida necesario para reaccionar con el constituyente que se analiza o con otra sustancia químicamente equivalente. La disolución de concentración conocida es una disolución patrón, que puede 1

2 prepararse de forma directa o mediante reacción con un patrón primario. El punto final de la titulación se determina con un indicador que muestra que se ha adicionado la cantidad de reactivo equivalente a la de la sustancia analizada, al momento en el que el indicador cambia de color se le denomina punto final de la titulación. Un patrón primario debe tener una pureza absoluta, estable a la Temperatura, inalterable al aire, la reacción que genera debe ser sencilla, rápida y estequiométrica y económico. 2. VOLUMETRÍA ÁCIDO-BASE Las volumetrías ácido-base se fundamentan en reacciones de neutralización, pueden ser acidimetrías o alcalimetrías. La acidimetría comprende todas las volumetrías de neutralización en las cuales se determina la cantidad de base de una muestra por titulación con un ácido patrón. La alcalimetría mide la cantidad de base de una muestra por titulación con una base patrón. En las reacciones ácido-base el peso equivalente-gramo (eq-g) se expresa en g/eq-g, para el caso de un ácido corresponde a la masa en gramos de la sustancia que se requiere para reaccionar con una mol de H +, mientras que para una base es la masa en gramos que puede producir 1 mol de OH - 1eq-g de cualquier ácido puede neutralizar 1 eg-g de cualquier base. El proceso de estandarización de una solución implica determinar su concentración exacta por medio de un patrón primario, el biftalato de potasio: KHC 8H 4O 4, se emplea para estandarizar soluciones básicas. Un estándar primario común para los ácidos es el Na 2CO (Day, Underwood, 1989) 2.1. Principio de equivalencia Cuando una reacción entre dos sustancias ha finalizado se han consumido el mismo número de equivalentes de la una y de la otra. Para el caso de una volumetría ácido-base: N eq-g ácido= N eq-g base V ácido x N ácido = V base x N base eq-g ácido = eq-g base meq-g ácido = meq-g base V= Volumen N= Normalidad meq-g = miliequivalente-gramo 2.2. Análisis de mezclas alcalinas Las mezclas alcalinas están formadas por sustancias disueltas en agua que presentan un ph básico y se hallan en forma natural en algunas fuentes de agua (Riaño, 2007). Una muestra alcalina puede contener NaOH,, Na 2CO y NaHCO, en forma aislada o combinados, en estos casos se titula con HCl usando sucesivamente dos indicadores como fenolftaleina-metil naranja o fenolftaleína-verde 2

3 de bromocresol y por medio de la cantidad de HCl usado en la titulación se determina la identidad y cantidad de los constituyentes buscados. La fenolftaleína vira a un ph superior a 8,4, metil naranja a un ph inferior a 4,4 y el verde de bromocresol a un ph inferior a 5,4 Se presentan los siguientes 5 casos: Solo NaOH, solo Na 2CO, solo NaHCO, mezcla de NaOH y Na2CO y mezcla Na2CO y NaHCO -. La mezcla de OH - y HCO - es incompatible ya que reaccionarían para formar carbonato de sodio, quedando solo esta sustancia. Para cada caso Vf representa el volumen de ácido gastado al titular con fenolftaleína y Vb es el volumen de ácido gastado al titular con verde de bromocresol ( o con metil naranja) Caso 1 solo NaOH. La ecuación de reacción es : En este caso solo se requiere titular con fenolftaleína. Caso 2 solo Na 2CO Se titula en dos etapas: CO 2- + H + HCO - HCO - + H + H2CO CO2 + H2O El punto final de la etapa 1 se halla con fenolftaleína y para la etapa 2 se usa metil naranja o verde de bromocresol, por lo que Vf= Vb Caso solo NaHCO. La titulación se realiza en una sola etapa con metil naranja o verde de bromocresol porque la fenolftaleína es incolora, es decir Vf = 0, la reacción es: HCO - + H + H2CO CO2 + H2O Caso 4 NaOH + Na 2CO. La titulación también se hace en dos etapas, en la primera se analizan los OH - y CO 2- y en la segunda el HCO obtenido en la primera etapa, por la reacción del HCl con los carbonatos. En este caso Vf > Vb Caso 5 Na 2CO + NaHCO. Se titula en dos etapas, la primera con fenolftaleína registra el cambio de CO 2- a HCO y la segunda etapa con verde de bromocresol indica el cambio de HCO a H2CO, de modo que el Vf < Vb. De acuerdo a lo anterior el tipo de mezcla se identifica comparando la cantidad de HCl empleado en cada titulación. Los casos anteriores y la forma de cálculo se sintetizan en la siguiente tabla:

4 Tabla. Mezclas alcalinas RESULTADO DE LA TITULACIÓN COMPONENTES CÁLCULOS (Usando eq-g) Vf # 0 ; Vb = 0 OH - Vf Vf = Vb CO 2- Vb o Vf Vf=0 ; Vb # 0 HCO - Vb Vf > Vb CO 2- + OH - Para CO 2-2Vb Para OH Vf-Vb Vf < Vb CO 2- + HCO - Para CO 2-2 Vf Para HCO Vb-Vf Vf = Volumen de HCl empleando fenolftaleína como indicador Vb = Volumen de HCl empleando verde de bromocresol como indicador Los resultados se reportan indicando los valores de alcalinidad total, alcalinidad a la fenolftaleína y componentes de la mezcla y su alcalinidad en ppm de CaCO 2.. Curvas de valoración Es una representación gráfica en la cual se muestra la variación del ph (eje y) durante la valoración, con respecto al volumen de titulante adicionado (eje x). El ph puede ser calculado en cada una de las etapas de la titulación analizando: Titulación de ácido fuerte-base fuerte y viceversa, titulación de ácido débil-base fuerte y viceversa Ejemplos de cálculos Ejemplo 1. Cuántos gramos de H 2SO4 pueden neutralizarse con 2,0 ml de una disolución 0,720N de NaOH? meq-g ácido = meq-g base meq-g ácido = meq-g base = 2mL x 0.72meq-g/mL = 2,0 meq-g H 2SO 4 98mg 1g 2,0meqgH 2 SO 4 2meqgH 2 SO mg = 1,1g H 2SO 4 Se mezcla 50,0mL de NaOH 0,200N, 20,0mL de H 2SO 4 0,150N y 5,0mL de HCl 0,0200N. La solución es ácida, alcalina o neutra? Hallar la concentración. Qué volumen de H 2SO 4 2,50N se requiere para neutralizar una solución que contiene 0,500g de KOH? Ejemplo 2. Se mide la masa y se disuelven en agua 0,1854g de biftalato de potasio (KHC 8H 4O 4) para estandarizar una solución de NaOH, se realiza la titulación usando fenolftaleína como indicador, si se consume 15,5mL de NaOH, cuál es la concentración molar del NaOH? En estos casos de estandarización la reacción tiene una relación molar 1 a 1: KHC8H4O4 + NaOH ---> KNaC8H4O4 + H2O 4

5 Usando moles se tiene: 0,1854gKHC 8 H 4 O 4 1molKHC 8H 4 O 4 1mol NaOH = 9, mol NaOH 204gKHC 8 H 4 O 4 1molKHC 8 H 4 O 4 M NaOH = 9, mol 0,0155L = 0,0586M Ejemplo. Se disuelve en agua una muestra de Na2CO puro que tiene una masa de 0,2948g y se titula con una solución de HCl con el fin de estandarizarla, el volumen gastado fue de 5,4mL. Determinar la Normalidad y Molaridad del HCl. Este caso se resolverá por 2 métodos: usando eq-g y moles. Reacción: Na2CO +2 HCl 2NaCl + H2O + CO2 Método 1: eq-g eq-g HCl = eq-g Na2CO 0,2948gNa 2 CO 2eqg Na 2CO 106g Na 2 CO = 5,56 10 eqg Na 2 CO = 5,56 10 eqg HCl N = 5,56 10 eqg 0,054L = 0,157N Método 2: moles. La relación molar es 1 a 2. 0,2948gNa 2 CO 1 mol Na 2CO 2mol HCl == 5,56 10 mol HCl 106g Na 2 CO 1 mol Na 2 CO M = 5,56 10 mol 0,054L = 0,157M Ejemplo 4. 50,0mL de una muestra que puede contener OH -, CO 2- y HCO, aislados o mezclados se analizó. Se consumieron 8,40mL de HCl 0,0420M en la titulación con fenolftaleína y una cantidad adicional de 14,6mL del ácido para alcanzar el punto final con verde de bromocresol. Determinar las sustancias alcalinas presentes y el contenido de cada una en g/l. Datos: Vf= 8,40x10 - L Vb= 0,0146 L Como Vf < Vb la muestra contiene CO 2- + HCO Reacciones: CO 2- + H + HCO - HCO - + H + H2CO CO2 + H2O Reacción global: CO H + CO2 + H2O 5

6 Según la tabla para CO 2- se usa 2Vf, por lo tanto: Moles de HCl = 1,68x10-2 L x 0,042M = 7,10x10-4 moles 7, moleshcl 1molCO 2 2molH + 60gCO 2 2 1molCO = 0,0210gCO 2 g L CO 2 = 0,021g 0,05L = 0,420g/LCO 2 Para HCO Vb-Vf= 6,20x10 - L Moles de HCl = 6,20x10 - L x 0,042M = 2,60x10-4 moles 2, moleshcl 1molHCO 1molH + 61gHCO = 0,0160gHCO 1molHCO g L HCO = 0,016g 0,05L = 0,20g/LHCO Una mezcla alcalina tiene una masa de 0,7896g, se disolvió en agua hasta 100mL, 50,0mL de alícuota gastó 15,0mL de HCl 0,112N en decolorar la fenolftaleína. Se adicionó enseguida naranja de metilo consumiendo 6mL más de HCl para virar a rojo. Qué sustancias alcalinas hay y cuál es su porcentaje? EJERCICIOS 1. Una muestra de 1,00g que contiene solamente CaCO y BaCO consume 47,54mL de HCl 0,400N en su neutralización. Calcular los porcentajes de CaO y BaO en la muestra. R. CaO 50,% BaO 7,81% 2. Una muestra alcalina de 1,000g se disuelve y se titula usando 16,54mL de HCl 0,122M para el cambio de color de la fenolftaleína y 12,20mL de HCl para el cambio de color del indicador verde de bromocresol. Calcular el porcentaje en masa de cada uno de los componentes alcalinos presentes en la muestra.. Una muestra de vinagre que tiene una masa de 11,40g se tituló con NaOH 0,500N, consumiéndose 18,24mL des esta última en la neutralización. Hallar el porcentaje en masa de ácido acético en el vinagre. R. 4,80% 4. 50,0mL de una mezcla alcalina gasta 0,0mL de HCl 0,109N en su valoración con fenolftaleína y 12,5mL con metil naranja. Determine la composición en g/l de la mezcla. 5. Cuántos gramos de NaOH pueden neutralizarse con 15mL de una solución de H2SO4 0,020M? 6. Se toma una masa de 0,245g de biftalato de potasio y se disolvieron en agua para titular una solución de NaOH, si se consumieron 14,50mL de la solución de NaOH, cuál es la concentración Normal? 7. 50mL de una muestra que puede contener NaOH, Na2CO y NaHCO, aislados o mezclados se analizó. Se consumieron 9,20mL de HCl 0,1042M en la titulación con fenolftaleína y una cantidad igual del ácido para alcanzar el punto final con metil naranja. Determinar las sustancias alcalinas presentes y el contenido de cada una en g/l. 6

7 8. Una mezcla alcalina tiene una masa de 0,421g, se disuelve en agua hasta 100,0mL, 50,00mL de alícuota gastó 15,00mL de HCl 0,21N en decolorar la fenolftaleína. Se adicionó enseguida naranja de metilo y no se requirió titular. Qué sustancias alcalinas hay y cuál es su porcentaje? 9. El ph de una solución 0.150M de NaX es Cuál es el valor de la constante del ácido débil? R. 4.1x Se disolvió en agua una muestra de 1.008g de NaHCO puro y se agregaron 0.200g de NaOH puro. La solución posteriormente se diluyó a 250 ml en un matraz volumétrico y se tituló una alícuota de 50,0mL con HCl M utilizando fenolftaleína como indicador. a) Cuántos ml de titulante se gastaron? b) Cuántos ml adicionales se requerirán para alcanzar el punto final del naranja de metilo? R. 16,0mL 24,0 ml 10. Una muestra de una mezcla de carbonatos de 0,8642 g gastó 16,5 ml de HCl 0,1065M para alcanzar el punto final de la fenolftaleína y 1,8 ml adicionales para llegar al punto final con metil naranja. Identifique la mezcla y calcule el porcentaje de cada componente. R. Na2CO 21.5% NaHCO 15.9% 7