pk A DE UN INDICADOR ÁCIDO-BASE OBJETIVO Determinar el pk a de un indicador ácido-base por espectroscopia visible. Descripción del Experimento Primero deben verificar la λ max de la forma con mayor absorbencia del indicador, usualmente la forma básica, en el espectrofotómetro. Luego, ajustan el ph de cinco alícuotas de una solución buffer-indicadora a valores centrados alrededor del pk a del indicador y entonces miden las absorbencias, A, de las soluciones resultantes. Llevan estas soluciones a ph bajos para generar la forma ácida pura del indicador, H, y miden su absorbencia, A H. Toman otra solución a un ph elevado para generar la forma básica pura, -, y determinan su absorbencia, A -. Usando la ecuación pk a = ph + log 10 [(A - A -) /(A H A)], calculan los pk a s de las soluciones, o equivalentemente, grafican los datos de la función logarítmica vs. ph para encontrar la intercepción en x, la cual es el valor del pk a. INTRODUCCIÓN Para ilustrar un aspecto del concepto de equilibrio químico, idealmente un experimento de laboratorio debería: 1. resultar en un valor razonablemente exacto de la constante de equilibrio. 2. usar un número pequeño de soluciones que sean seguras de manipular, o al menos ser familiar a los alumnos, y simple de desechar. 3. usar equipo usado comúnmente en un laboratorio de química inorgánica, y 4. no exceder las habilidades de un alumno de química inorgánica típico. Para que el método descrito aquí funcione, sólo debe haber una forma ácida del indicador (H) y una forma básica ( - ) en el equilibrio: H V H + + - Si usamos concentraciones en lugar de actividades, la expresión para la constante de equilibrio para la reacción es
K a + [ H ][ = [ H] ] La forma logarítmica para la ecuación es [ H] pk a = ph + log 10 [ (1) ] La forma ácida del indicador tiene un color, tal como el amarillo, con su correspondiente l max a una longitud de onda, y la forma básica tiene otro color, tal como el azul, con su correspondiente l max a una longitud de onda diferente. Si la longitud de la trayectoria de la celda se mantiene constante y todas las soluciones contienen la misma molaridad total del indicador, el cociente ácido-base a la l max de ya sea la forma ácida o básica viene dado por: [ H] = [ ] A A A H A Donde A es la absorbencia de la solución conteniendo una cierta concentración total de la mezcla ácido-base, A - es la absorbencia de la forma básica a la misma concentración, y A H es la absorbencia de la forma ácida a la misma concentración. Sustituyendo la expresión para el cociente H- - de la ec. 2 en la ec. 1, pk A A = ph + log (3) AH A a 10 o A A log 10 = pk a ph (4) AH A El pk a de un indicador se puede determinar por dos métodos equivalentes, un método algebraico o un método gráfico. En el método algebraico, conjuntos de ph y valores de absorbencias se sustituyen en la ec. 3 y se calcula el pk a para cada conjunto. El pk a reportado es el promedio de los pk a s calculados. En el método ( A A ) gráfico, se grafica el log 10 [ ] ( A A) H (2) vs. ph de la ec. 4, y el pk a se obtiene como la intercepción en x. La línea debe tener una pendiente de -1.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El procedimiento para determinar el pk a para el azul de bromofenol se describe en detalle. Las condiciones para determinar los valores de pk a para otros indicadores son análogas. Una solución de azul de bromofenol en su forma básica se prepara disolviendo 6 gotas de la solución del colorante al 0.04% y 2 gotas de NaOH 1 M en 10 ml de agua destilada. Para obtener un estimado de l max las absorbencias de la solución se miden en un espectrofotómetro Bausch & Lomb Spectronic 20 a intervalos de 20-nm desde 560 hasta 640 nm. La absorbencia a 590 nm se usa para determinar el valor de l max más precisamente. La solución para determinar el pk a del azul de bromofenol se prepara disolviendo 5.0 ml de azul de bromofenol al 0.04% y el contenido de una cápsula de buffer de ph 4 en agua en un matraz volumétrico de 250 ml. Cincuenta mililitros de la solución se vacía en cada uno de los cinco vasos de precipitados de 100-mL. Usando un ph-metro calibrado a 0.01 unidades de ph, dos de las soluciones se ajustan a un ph cercano a 3.4 y a 3.7 agregando gota a gota HCl 1 M. Otras dos soluciones se ajustan a un ph aproximado de 4.3 y 4.6 por adición gota a gota de NaOH 1 M. La solución en el quinto vaso tiene un ph de ca. 4.0. Las absorbencias de las cinco soluciones de azul de bromofenol se miden con un espectrofotómetro. La solución de ph 3.4 se ajusta posteriormente a cerca de ph 2 con dos gotas de solución de HCl concentrado para producir H puro, y se mide la absorbencia de la solución resultante para determinar A H. Similarmente, la solución de ph 4.6 se ajusta a un ph de aproximadamente 12 con dos gotas de solución de NaOH al 50% para producir - puro, y se mide la absorbencia de la solución resultante para determinar A -. REPORTE Tabla 1. Valores de absorbencia para azul de bromofenol Longitud de onda / nm Absorbencia 560 580
600 620 640 590 Tabla 2. Condiciones para obtener l max para el indicador dicador No. gotas Longitud de onda / nm Azul de bromofenol Solución Base o Rango l max l max Colorante Ácido Literatura Experimento 6 2 560-640 Tabla 3. Soluciones Usadas Para Medir pk a de dicador dicador Volumen de Cápsula de Valores de ph dicador / ml Buffer (ph) Aproximados Azul de bromofenol 5.0 4 3.4, 3.7, 4.0, 4.3, 4.6 Tabla 4. Determinación de pk a para Azul de Bromofenol ph Absorbencia A A pk a de ec. 3 log 10 AH A A - promedio ± A H ( A A ) Figura 1. Gráfica de log 10 [ ] ( A A) H vs. ph para azul de bromofenol.
Tabla 5. Resultados de Mediciones de Valores de pk a del dicador dicador Valor Lit de Rango pk a pk a Pendiente pk a Usado a Fuerza Fuerza de de Gráfica Iónica Iónica ec. 3 ec. 4 0.01 0.05 0.10 ec. 4 Azul de bromofenol MATERIALES (por equipo) Colorímetro Génesis 20 con celdas de cuarzo de 10 ml, o bien un espectrofotómetro Perkin-Elmer con celdas de cuarzo de 3 ml. 7 Matraces aforados de 10 ml 2 Matraces aforados de 50 ml 1 Vaso de precipitados de 25 ml 1 Vaso de precipitados de 100 ml 1 Pipeta graduada de 1 ml 1 Pipeta graduada de 5 ml 1 Gradilla de madera Pipetas Pasteur. 2 Vidrios de reloj 2 Espátulas 2 Agitadores de vidrio REACTIVOS Solución al 1% de fenolftaleína en isopropanol Soluciones buffer de ph 4, 7 y 10 Solución de hidróxido de sodio al 50%
Solución acuosa de verde de bromocresol al 0.04%, púrpura de bromocresol al 0.04%, azul de bromofenol al 0.04%, azul de bromotimol al 0.04%, naranja de metilo al 0.10%, sal sódica de rojo de metilo al 0.10%, y rojo de fenol al 0.04%. strucciones de uso del espectrofotómetro 20 GENESYS Operación básica Se pueden ejecutar mediciones de absorbancia y % de transmitancia (también determinar concentraciones usando un estándar conocido o un factor de conversión). Sin importar que tipo de medición desea ejecutar, usted sigue pasos similares: Seleccione el modo (A, % T, C) y la longitud de onda. Mida el blanco (normalmente el solvente puro) Entre el valor del estándar o el factor (modo de concentración únicamente). Mida la muestra. Repita el procedimiento para cada longitud de onda.
Laboratorio de Química orgánica