Titulaciones en Química Analítica Capítulo 13 CHEM 3320 Rosamil Rey Santos, Ph.D.
Introducción En el análisis volumétrico, la concentración se determina midiendo su capacidad de reaccionar con un reactivo patrón. El reactivo patrón o la solución patrón es una solución o reactivo de una concentración conocida que se utiliza en las titulaciones. El volumen del reactivo patrón requerido para completar la reacción con la muestra se considera como parámetro analítico para determinar la concentración del analito, a esto se le conoce como valoración.
Introducción Se tiene que conocer con exactitud la concentración del reactivo patrón que se va a utilizar en un experimento, ya que la exactitud del análisis volumétrico dependerá de dicho parámetro. La concentración del reactivo patrón puede establecerse de dos formas diferentes. Forma directa diluyendo una cantidad exactamente pesada de un reactivo de elevada pureza y estabilidad, conocido como patrón primario, hasta un volumen conocido. Forma indirecta por estandarización secundaria valorando primero o titulando el reactivo de elevada pureza con otra solución patrón antes de utilizarlo a él como reactivo patrón.
Titulación Los análisis volumétricos son llevados a cabo utilizando métodos de titulación. En los métodos de titulación, la titulación es realizada añadiendo el reactivo patrón a la muestra a estudiarse mediante el uso de una bureta hasta que la reacción se haya completado. El volumen titulado necesario para completar la reacción es determinado mediante la diferencia del volumen final y el volumen inicial de la titulación.
Titulación Las reacciones entre el reactivo patrón y la muestra a estudiarse proceden a un estado de equilibrio químico en el cual la razón de la concentración de los reactivos y los productos son iguales. El objetivo de toda valoración es la adición de un reactivo patrón en una cantidad que sea químicamente equivalente a la muestra con la que esta reaccionando. Esto se consigue en el punto de equivalencia de la reacción. Este es el punto de equivalencia y el punto final de la valoración deben ser pequeñas.
Indicadores Los cambios físicos en una valoración son aparentes cuando se le añade a la reacción unas sustancias denominadas indicadores. Los indicadores son sustancias que se añaden al sistema y que experimentan cambios en color como resultado de las variaciones de concentración que se producen en el punto de equivalencia.
Titulación La solución patrón o solución estándar es un reactivo de una concentración conocida que se utiliza para titulaciones. La titulación se hace añadiendo lentamente una solución estándar de la bureta a otra solución de analito líquido hasta que la reacción se complete. Un estándar primario es un compuesto que se utiliza como material de referencia en los métodos de titulación.
Punto de equivalencia El punto de equivalencia es el punto en donde en una titulación la cantidad de moles del titulante es químicamente equivalente a la cantidad de moles del analito de la muestra. El punto final es el cambio físico observado que se asocia con una condición de equivalencia química. El punto de equivalencia es un punto teórico que no se puede determinar experimentalmente. Error de la titulación es la diferencia entre el volumen en el punto final y el punto de equivalencia. E t = V pf - V pe
Dos tipos de valoración El método directo es la valoración o la estandarización. La valoración es el proceso por el cual la concentración de una solución volumétrica se determina utilizando en una titulación una masa conocida de un estándar primario o un volumen conocido de otra solución estándar. La estandarización se puede hacer pesando cantidad conocida de un estándar primario, pesando cantidad conocida de una solución estándar o midiendo un volumen conocido de una solución estándar. La valoración por retroceso (o retrotitulación) es un procedimiento donde el exceso de solución patrón utilizada para consumir un analito se determina mediante titulación con una segunda solución. Este método suele emplearse cuando la velocidad de reacción entre el analito y el reactivo es lenta o cuando la solución patrón es inestable.
Estándar primario El estándar primario más conocido es KHP (hidrógeno de ftalato de potasio, KHC 8 H 4 O 4 ).
Requisitos de un estándar primario 1. Alta pureza 2. Estabilidad en el aire 3. Que no absorba agua fácilmente 4. Fácil de conseguir y bajo costo 5. Soluble en el medio de titulación 6. Masa molar grande para que el error relativo asociado con el peso sea mínimo.
Propiedades de una solución estándar ideal 1. Ser suficientemente estable que solamente sea necesario determinar su concentración una sola vez. 2. Reaccione rápidamente con el analito para que el tiempo que se requiere de la adición sea mínimo. 3. Reaccione completamente con el analito. 4. Que lleve a cabo una reacción con el analito que se pueda describir con una ecuación química balanceada simple.
Soluciones estándares Las soluciones estándares de ácidos y bases fuertes son utilizadas extensamente para determinar analitos que son muchas veces ellos mismos ácidos o bases. Como cualquier otra titulación, las titulaciones de neutralización dependen de una reacción química entre el analito y el reactivo estándar. El punto o los puntos de equivalencia en la titulación son detectados por indicadores o por mediciones de un metro de ph. Los reactivos estándares utilizados en las titulaciones de neutralización so en su mayoría ácidos o bases fuertes ya que reaccionan completamente con el analito, comparados con los ácidos o bases débiles que llegan a equilibrio y no reaccionan completamente.
Soluciones estándares Las soluciones estándares de ácidos fuertes para titulaciones de neutralización son preparadas diluyendo H 2 SO 4, HCl ó HClO 4 y las soluciones estándares de bases fuertes son preparadas diluyendo KOH, NaOH ó Ba(OH) 2. En un experimento las concentraciones de estas soluciones de estas soluciones estándares deben ser establecidas por valorizaciones. Acido + Base Sal + Agua
Ejercicios de neutralización Escriba los productos que se forman y balancee. HCl + Ba(OH) 2 H 2 SO 4 + KOH HClO 4 + Al(OH) 3 H 3 PO 4 + NaOH H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 HI + LiOH
Ejercicio (Preparación de soluciones) Describa la preparación de 5.00L de 0.100M Na 2 CO 3 (105.99 g/mol) de una solución estándar primario.
Ejercicio (Preparación de soluciones) Una solución estándar 0.0100M Na + se requiere para calibrar un método para la determinación de elemento. Describa la preparación de 500.0mL de esta solución a partir de una solución estándar primario Na 2 CO 3.
Ejercicio (Neutralización) Una solución HCl 50.00mL requiere 29.71mL de Ba(OH) 2 0.01963M para llegar al punto de equivalencia con el indicador verde bromocresol. Calcular la molaridad de HCl. Ba(OH) 2 + 2HCl BaCl 2 + 2H 2 O
Ejercicio (Valoración) Se titularon 0.2502g de KHP (204.14 g/mol) y requiere 34.78mL de NaOH para llegar al punto final utilizando fenolftaleína como indicador. Determine la concentración de NaOH.
Ejercicio (Neutralización) Determine la concentración de HCl al titular 25.0mL del ácido con 22.33mL de NaOH 0.150M.
Ejercicio Se titularon 0.2121g de Na 2 C 2 O 4 puro (134.00 g/mol) y requiere 43.31mL de KMnO 4 para llegar al punto final. Determine la molaridad de KMnO 4. 2MnO 4- + 5C 2 O 4 2- + 16H+ 2Mn 2+ + 10CO 2 + 8H 2 O
Ejercicio Una muestra de Fe de 0.8040g se disolvió en ácido. El Fe se redujo a Fe 2+ y se tituló con 47.22mL de 0.02242M KMnO 4. Calcule el % Fe (55.847 g/mol). MnO 4- + 5Fe 2+ + 8H + Mn 2+ + 5Fe 3+ + 4H 2 O
Ejercicio Una muestra de 3.776g de crema de mercurio se descompone en HNO 3. Luego de la dilución, Hg 2+ se tituló con 21.30mL de NH 4 SCN 0.1144M. Calcule el %Hg (200.59 g/mol). Hg 2+ 2SCN - Hg(SCN) 2
Ejercicio (Retroceso) Una muestra de 0.4755g que contenía (NH 2 ) 2 C 2 O 4 y materiales inertes se disolvió en H 2 O y se alcalinizó con KOH, con lo cual el NH 4+ se convirtió en NH 3. El amoniaco liberado se tituló con 50.00mL de H 2 SO 4 0.05035M. El exceso de H 2 SO 4 se tituló por retroceso con 11.13mL de NaOH 0.1214M. Calcular el %N (14.007 g/mol) y el %(NH 2 ) 2 C 2 O 4 (124.10 g/mol) en la muestra. 2NH 3 + H 2 SO 4 2 NH 4+ + SO 4 2- H 2 SO 4 + (NH 2 ) 2 C 2 O 4 (NH 2 ) 2 SO 4 + H 2 C 2 O 4
Ejercicio (Retroceso) El CO contenido en 20.3L de una muestra de gas se convirtió en CO 2 haciendo pasar el gas sobre pentóxido de yodo calentando a 150ºC. I 2 O 5(s) + 5CO (g) 5CO 2 + I 2(g) El yodo destilado a esta temperatura se recogió en un absorbente que contenía 8.25mL de Na 2 S 2 O 3 0.01101M. I 2(aq) + 2S 2 O 3 2- (aq) 2I - (aq) + S 4 O 6 2- (aq) El exceso de Na 2 S 2 O 3 se tituló por retroceso con 2.16mL de solución 0.00947M de I 2. Calcular la masa en mg de CO (28.01g/mol) por litro de muestra.
Curvas de titulación El punto de equivalencia lo podemos determinar: Cambio en color utilizando un indicador Cambio en la potencia de un electrodo
Tipos de curva de titulación Curva sigmoidal más conveniente y más rápida Curva linear-segmento se utiliza para reacciones que necesitan mucho volumen de titulante para completarse