QUÍMICA FÍSICA BIOLÓGICA - QUIMICA FISICA I TRABAJO PRACTICO N 3 TEMA: EQUILIBRIO QUÍMICO. OBJETO: Determinación de la constante de equilibrio de disociación del rojo de metilo (indicador visual ácido-base) por medidas espectrofotométricas. TEORIA: La disociación parcial de un electrolito débil es uno de los fenómenos mas observados en solución química. Cálculos que incluyan la constante de disociación de un ácido o una base débil son indispensables para cualquier discusión de equilibrios homogéneos. Las constantes de equilibrio de reacciones químicas en solución se determinan midiendo las concentraciones en equilibrio de los reactivos y de los productos envueltos en la reacción. Existen distintas propiedades físicas que se utilizan para determinar las concentraciones de las especies en equilibrio. Una propiedad útil para determinar la concentración de las especies envueltas en una reacción es la absorción de radiación por las substancias en solución. Por ejemplo la absorbancia de una especie es característica de cada substancia y generalmente es una propiedad la distingue de otra. Un ejemplo de substancias que exhiben absorbancias características son soluciones acuosas ácidas y básicas de indicadores visuales como rojo de metilo, azul de bromotimol, verde de bromocresol, entre otros. Dependiendo de la estructura del indicador en medio ácido y en medio básico, éste exhibirá un color característico. Por ejemplo, en soluciones acuosas ácidas el rojo de metilo existe como un ión zwitter, el cual tiene las siguientes estructuras resonantes:
La forma ácida de rojo de metilo (HMR), de color rojo, al añadir una base pierde un protón y el anión (amarillo), MR - de rojo de metilo se forma absorbiendo luz azul y violeta. De la misma forma otros indicadores cambian de color cuando el equilibrio de disociación se desplaza hacia la forma ácida o la forma básica El equilibrio de disociación del indicador ácido base se puede representar por: HMR + H 2 O ------> MR - + H + (1) y la constante de equilibrio se establece por la ecuación: K = H + ] [MR - [ ] (2) [ HMR] En la relación (2) hemos aproximado la actividad de cada especie envuelta en el equilibrio con la concentración molar. La forma mas conveniente para usar la ecuación anterior es la ecuación de Henderson- Hasselbach: pk = ph - log [MR - ] (3) [ HMR] El rojo de metilo es particularmente un ácido muy bueno para el estudio de las formas ácida (HMR) y básica (MR - ), ya que ambas formas absorben en el rango visible sel espectro, la constante de disociación no es grandemente afectada por los cambios de la fuerza iónica, y el cambio de color tiene lugar en un intervalo de ph = 4-6, y este es convenientemente obtenido con un simple sistema buffer HOAc-NaOAc. Ya que tanto MR - y HMR tienen bandas de absorción en la región visible, la razón puede ser determinada espectrofotométricamente a diferentes ph y de esta forma determinar la constante de equilibrio. Las regiones del espectro electromagnético tienen diferentes energías que se asocian a transiciones distintas. En general, la absorción de luz visible o ultravioleta se asocia a transiciones electrónicas en una molécula, mientras que la absorción de luz infraroja se asocia a cambios vibracionales y rotacionales. Cuando una especie absorbe radiación electromagnética la intensidad del rayo incidente se reduce al pasar a través de la muestra. Para una solución, en un largo de onda de luz incidente dado, la densidad óptica o absorbencia, A, varía de acuerdo a la ley de Beer-Lambert: A= - log (I/I 0 ) = abc (4) Para ello se determinan los espectros de absorción del rojo de metilo en soluciones ácidas y en soluciones básicas y se seleccionan las dos longuitudes de onda, λ 1 y λ 2, de tal manera que, la de la forma ácida, tiene un índice de absorbancia muy grande en comparación con la básica, la otra es la opuesta. En las mediciones espectrofotométricas se cumple la Ley de Lambert-Beer. El equilibrio a estudiar es afectado por la temperatura, por lo cual resulta importante hacer todas las mediciones espectrofotométricas y de ph a la misma temperatura. DROGAS: Rojo de metilo, Acetato de sodio 0,04M; 0,01M Acido clorhídrico 0,1M; 0,01M
Acido acético 0,02M Etanol 96%, EQUIPOS: Espectrofotómetro (Figura 1), peachímetro (Figura 2); 5 matraces de 25 ml, 5 erlenmeyer, pipetas, Figura 1. Espectrofotómetro. TECNICA OPERATORIA: Figura 2. Peachímetro 1-PREPARACION DE LAS SOLUCIONES Solución stock: 0,02gr rojo de metilo + 6 ml etanol 100ml con agua destilada. Sol. standart: 100 ml sol. stock + 60 ml etanol 250 ml con agua dest. 2-DETERMINACION DEL ESPECTRO DE ABSORCIÓN Para determinar la razón de concentraciones de HMR y MR - se busca el máximo de absorbancia de cada sustancia individual. Por el principio de Le Chatelier aplicado al equilibrio representado en la expresión (1) a ph bien bajo hay mayor contribución de HMR y a ph bien alto hay mayor contribución de MR -. En la figura aparecen los espectros de las dos especies de interés que cuyo largo de onda máximo depende del color que absorben. El espectro de absorción del rojo de metilo se establece usando ácido clorhídrico como disolvente para obtener el espectro de la forma ácida y acetato de sodio como disolvente para la forma básica. El agua destilada se utiliza en la celda de referencia. La absorbancia se mide a intervalos apropiados desde 350 hasta 600mµ. Deben consultarse las instrucciones del espectrofotómetro antes de utilizarlo. En general el procedimiento es el siguiente: Se ajusta la longuitud de onda deseada, se lleva a 100% de transmitancia con el agua destilada, en otra celda se coloca la solución a medir y se lee la transmitancia y así sucesivamente.los datos se van poniendo en una gráfica a medida que se hacen las mediciones, de absorbancia en función de la longuitud de onda.
Para el sistema de rojo de metilo el largo de onda máximo de la especie ácida (color rojo) a ph = 2 es 520 nm y el de la especie básica (color amarillo) a ph = 12 es 425 nm. Soluciones: Forma ácida: 10 ml de sol. estandar + 10 ml de HCl 0,1M 100 ml con agua dest. Forma básica: 10 ml de sol. estandar + 25 ml de NaAcO 0,04 M 100 ml con agua dest. 3-DETERMINACION DE LA CURVA DE CALIBRACION Una curva de calibración es la representación gráfica de la Absorbancia en función de la concentración, establece el límite de concentración dentro del cual es aplicable la Ley de Lambert-Beer. Esta curva puede realizarse determinando la Absorbancia sobre una serie de soluciones estandares de concentraciones conocidas a una longuitud de onda dada, seleccionada previamente.
Curva forma ácida: 6ppm; 4ppm; 2ppm (18,75 ml; 12,5 ml; 6,25 ml de sol. ácida) 25 ml con HCl 0,01 M Curva forma básica: 6ppm; 4ppm; 2ppm; (18,75ml; 12,5ml; 6,25ml de sol.bás.) 25ml con NaAcO 0.01M. 4-DETERMINACION DE LA CONSTANTE DE DISOCIACION Para determinar la constante de disociación del colorante, los análisis espectrofotométricos se efectuan en soluciones que contienen una concentración constante de colorante, varias concentraciones de ácido acético y un volumen constante de acetato de sodio de manera de formar el buffer correspondiente. Solución Vol. HAc 0,02 Vol. sol. estandar Vol. NaAc 0,04 M 1 25 5 12,5 2 12,5 5 12,5 3 5 5 12,5 4 2,5 5 12,5 todas se llevan a 50 ml con agua destilada. Las absorbancias de las soluciones son medidas a λ 1 y λ 2, y se miden los valores de ph. CALCULOS Y RESULTADOS 1-Graficar Absorbancia vs. longitud de onda. Elegir λ 1 y λ 2 2-Graficar Absorbancia vs. concentración, para ambas formas, 3-Determinar el pk. Un valor promedio, procedente de la literatura, es 5,05 ± 0,05 para el intervalo de 25 a 30 o de temperatura. CUESTIONARIO 1-Enuncie la Ley de Lambert-Beer y explique el significado de cada término. 2-Como define la tramitancia y que relación guarda con la absorbancia. 3-Que es un espectro de absorción y que utilidad tiene. 4-Que es una curva de calibración y cual es su uso.
BIOBLIOGRAFIA -G. M. Barrow, "Physical Chemistry", McGraw-Hill Book Co., New York, New York, 1973. Capítulo 9. -G. W. Castellan. "Physical Chemistry", Addison-Wesley Publishing Co. Reading, Massachusetts, 1971. Capítulo 11. - H.D. Crockford and S. B. Knight. "Fundamental of Physical Chemistry", John Wiley and Sons, Inc., New York, New York, 1964. Capítulo 9. - H. D. Crockfond, J. W. Nowell, H W. Barid and F. W. Getzen, "Laboratory Manual of Physical Chemistry", 2 da Ed. 1975, p. 134-141. -F. Daniels, et. al. "Experimental Physical Chemistry", McGraw-Hill Book Co., New York, New York, 1970. Capítulo 5. -F. Daniels and R. A. Alberty. "Physical Chemistry", John Wiley and Sons, Inc. New York, New York, 1975. Capítulo 5. -S. Mason and J. B. Londo. "Fundamentals of Physical Chemistry", MacMillan Publishing Co., New York, New York, 1974. Capítulo l0. -W. J. Moore, "Physical Chemistry", Prentice-Hall, Inc. New York, New York, l972. Capítulo 8.