VALORACIONES ÁCIDO-BASE

VALORACIONES ÁCIDO-BASE

Se conoce con el nombre de valoración ácido-base al conjunto de operaciones que, realizadas en el laboratorio, tiene como finalidad el conocimiento de la concentración de una disolución de un ácido o una base (de concentración desconocida) con la ayuda de una disolución de una base o un ácido (de concentración conocida) o de una substancia patrón primario, todo ello con la colaboración de un indicador ácido-base. El material básico a utilizar será: matraz erlemmeyer, bureta, pipeta, disolución problema, disolución patrón (o patrón primario) e indicador.

C Busca en la bibliografía las características que debe cumplir una substancia para que pueda ser considerada patrón primario.

Comencemos por explicar la valoración de una disolución utilizado un patrón primario. Una de las substancias patrón primario más utilizadas es el hidrógeno ftalato de potasio, de fórmula

El protón ácido de esta substancia permite su reacción cuantitativa con substancias que tengan propiedades básicas, como el hidróxido sódico


C Calcula la masa molecular del hidrógeno ftalato de potasio.

Supongamos que preparar una disolución de hidróxido sódico de concentración perfectamente conocida. Esto no puede realizarse por pesada ya que el hidróxido sódico se contamina de diferentes formas y además en una proporción desconocida. Es por ello necesario preparar primero la disolución y posteriormente valorarla con un patrón primario. Si, por ejemplo, se quiere preparar 1000 mL de disolución acuosa de hidróxido sódico 0.5 M, será necesario pesar 20 g de hidróxido sódico, disolverlos en una vaso de precipitados, verterlos en un matraz aforado de 1000 mL y finalmente enrasar. Esta disolución será aproximadamente 0.5 M, pero necesitamos conocer su concentración exacta. Para ello haremos reaccionar una alícuota de la disolución preparada con un patrón primario. La pregunta surge rápidamente ¿qué masa de patrón primario se debe pesar? Debemos tener en cuenta que cuanto más patrón pesemos, más cantidad de disolución consumiremos. Tres factores condicionarán el volumen de disolución a valorar que debamos consumir:

- No debe ser un volumen demasiado grande ya que en este caso deberemos llenar dos veces la bureta (en general de 25 mL) y estaremos incrementando el error instrumental.
- Además el precio de los reactivos consumidos no aconseja la utilización de más reactivo del necesario
- No debe ser demasiado pequeño, pues en este caso la imprecisión relativa de la medida se hace muy grande.

En las operaciones que vamos a realizar en el laboratorio el volumen que debe consumirse estará entre 10 - 15 mL, cantidad que cumple las condiciones anteriormente establecidas. Es necesario por tanto un cálculo previo a la realización de la valoración. Si queremos consumir aproximadamente 10 mL de la disolución preparada, la masa de patrón a pesar será (se supone que la reacción entre el patrón y la disolución es 1:1)

nº moles patrón primario (ácido) = nº moles de base

por tanto


C Calcula la masa de hidrogenoftalato de potasio que debemos pesar apoximadamente para consumir 15 mL de disolución aquosa de hidróxido sódico de concentración @0.5 M. ¿Qué ocurre si pesamos un poco más? ¿Y si pesamos menos?
Debemos por tanto pesar aproximadamente 1 gramo de patrón primario para consumir aproximadamente 10 mL de la disolución preparada. La cantidad exacta pesada (alrededor de 1 g ) se debe pesar y anotar con el máximo número de decimales posible (p. ej. 1.023 g), ya que de la precisión de esta medida depende en gran parte la precisión de la concentración de la disolución preparada. Si ahora disolvemos la masa de patrón pesada en un volumen de agua (no importa la magnitud de ese volumen ya que no afecta al número de moles de la sustancia patrón) y añadimos un par de gotas de indicador, la valoración se realizaría como sigue

Si como resultado de la valoración obtenemos, por ejemplo, un volumen de equivalencia de 10.3 mL, ya podemos calcular de manera precisa la concentración de la disolución de hidróxido sódico

valor que se aproxima bastante al aproximado (eso debe ser siempre así) de 0.5 M. Esta procedimiento se debería seguir al menos tres veces , para finalmente expresar el resultado con la imprecisión correspondiente

(0.486±0.009) M

C Calcula la concentración de una disolución de hidróxido sódico de la que se han necesitado 15.3 mL para valorar 0.432 g de hidrogenoftalato de potasio. Expresa el resultado con la imprecisión correspondiente.


Hasta ahora nos hemos limitado a explicar uno de los casos que más vamos a utilizar en prácticas. En general las valoraciones pueden ser múltiples y vamos a detallar algunas de las posibilidades más comunes. En muchos casos aprovecharemos una disolución valorada con un patrón primario para valorar otras disoluciones de concentración desconocida; por ejemplo se puede utilizar una disolución de hidróxido sódico valorada con ftalato para valorar una disolución de ácido clorhídrico.


C Se valora una disolución de hidróxido sódico 0.5 M. Si queremos consumir unos 15 mL, calcula los gramos de ftalato que deberemos pesar. Haz un dibujo del montaje de la valoración. Si una vez alcanzado el punto de equivalencia se consumen 13.2 mL de disolución, calcula la concentración exacta de la disolución. Si con esta disolución valorada nos disponemos a valorar una de ácido clorhídrico 0.2 M , calcula los mL de HCl(aq) que debemos situar en el matraz erlenmeyer para consumir unos 15 mL de hidróxido sódico. Haz un dibujo del montaje necesario. Si una vez alcanzado el punto de equivalencia se consumen 6.3 mL, calcula la concentración de la disolución de ácido clorhídrico.


Vamos a comenzar explicando el caso más sencillo: la valoración de un ácido fuerte con una base fuerte, para pasar posteriormente a casos algo más complejos: valoración ácido fuerte-base débil y valoración ácido débil-base fuerte. El último caso posible, valoración ácido débil-base débil, no se explicará al resultar algo más complejo.

Valoración de un ácido fuerte con base fuerte. Indicadores

Supongamos que disponemos de una disolución un ácido fuerte (p. ej. ácido clorhídrico) en agua cuya concentración es desconocida; en esa disolución [H3O+]>10-7 M y por tanto pH<7. vama="VeqMb" style="mso-footnote-id: ftn1" title="" href="http://www.blogger.com/post-create.g?blogID=6028780889046493998#_ftn1" name="_ftnref1">[1] en disolución acuosa que la forma básica (Ind-)

IndH + H2O « Ind- + H3O+
color forma ácida color forma básica

la estructura química de estas moléculas suele ser bastante compleja. El color de la forma ácida se aprecia claramente cuando
(1)
y el de la forma básica cuando
(2)

esto, como ahora vamos a ver, nos va a permitir conocer en una valoración ácido-base cuando se ha alcanzado el punto de equivalencia. En efecto, si a la disolución problema del ejemplo anterior le añadimos 2 ó 3 gotas un indicador adecuado, este se encontrará inicialmente en la forma ácida, produciendo en toda la disolución una coloración que corresponderá al color de la forma ácida del indicador (color 1), ya que se cumplirá la condición (1). Cuando se comience a añadir disolución básica se comenzará a consumir primero el ácido presente en la disolución. Cuando este se haya consumido, las siguientes gotas de disolución básica añadidas producirán en el indicador la reacción

IndH + OH- « Ind- + H2O
color forma ácida color forma básica

alcanzándose el punto final de la valoración; de esta manera [IndH] comenzará a disminuir mientras la de [Ind-] disminuirá; en el momento en que se cumpla la condición (2) toda la disolución tomará el color de la forma básica del indicador.

C ¿Cuál es el motivo por el que un indicador cambia de color en una valoración ácido-base?

C ¿Qué diferencia existe entre el punto de equivalencia y el punto final?

El hecho de que el indicador se consuma justo después de que se acabe el ácido de la disolución, no es una casualidad, sino una consecuencia de la correcta elección de éste. Debe advertirse que no cualquier indicador sirve para cualquier valoración; debe elegirse aquel indicador cuyo intervalo de pH de cambio de color (intervalo de pH al que el indicador cambia de color) contenga el pH del punto de equivalencia de la valoración a realizar. En este caso concreto ya dijimos que era siete; de esta forma cuando el indicador cambie de color sabremos que se ha alcanzado el punto de equivalencia. La variación de color no se produce de manera abrupta, sino de manera gradual al ir cambiando el pH; ahora bien como ya hemos visto que en una valoración ácido-base hay una zona en la que la variación del pH es muy abrupta (proximidades del punto de equivalencia) y en la que por tanto con poco volumen añadido (unas pocas gotas) pasaremos del color de la forma ácida al color de la forma básica. Finalmente, recordemos que en el punto de equivalencia, el número de moles de base añadidos y el número de moles de ácido presentes inicialmente en la disolución están relacionados; generalmente (no siempre) la reacción se produce mol a mol. En esta caso así ocurre

NaOH(aq) + HCl(aq) ® NaCl(aq) + H2O(l)
por tanto se cumplirá

nº de moles de OH- añadidos = nº de moles de ácido

VaMa=VeqMb

con lo que podremos calcular la concentración de la disolución de ácido.

C Queremos valorar 25 ml de una disolución de ácido sulfúrico según la reacción

H2SO4 + NaOH ®

completa la reacción y calcular la molaridad del ácido sulfúrico, si para llegar al punto de equivalencia se gastaron 11,3 ml de disolución 0,112 M de hidróxido sódico.

C Queremos valorar una disolución de ácido sulfúrico con hidróxido sódico, según la reacción

H2SO4 + 2 NaOH ®

completar la reacción. Si en el punto de equivalencia se han gastado 25 ml de hidróxido sódico 0,213 M, calcula la molaridad de la disolución de ácido sulfúrico.







En la siguiente tabla se dan las propiedades de algunos indicadores ácido-base

nombre color forma ácida color forma básica pH de cambio
Anaranjado de metilo
Rojo
Amarillo
3-4,5
Rojo congo
Azul
Rojo
3-5
Tornasol
Rojo
Azul
6-8
Fenolftaleina
Incoloro
Rojo
8-9,5

con los datos de esta tabla será posible elegir el indicador adecuado para cada valoración[2]. De igual manera a como hemos hecho una valoración para conocer la concentración de una disolución ácida, puede hacerse para conocer la concentración de una disolución básica.

C Se valoran 25 ml de NaOH con HCl 0,998 M gastándose 35 ml hasta que se alcanza el punto de equivalencia Hacer un esquema del montaje. Razona que indicador debe utilizarse y cual será la concentración de la disolución valorada.

Valoración de una base débil con un ácido fuerte.

Prácticamente todo lo dicho en el apartado anterior puede aplicarse a la valoración de una base débil con un ácido fuerte. Tomemos como ejemplo el caso de la valoración de una disolución de amoniaco de concentración desconocida con una disolución de ácido clorhídrico de concentración conocida. El montaje experimental sería

las únicas diferencias respecto al caso anterior son:

1.- al ir adicionando el ácido, la reacción que se produce es

NH3(aq) + HCl(aq) « NH4+(aq) + Cl-(aq)

cuando todo la base se ha consumido, es decir estemos en el punto de equivalencia, tendremos una disolución de NH4+ cuyo pH no será siete como en el caso anterior. Efectivamente, el NH4+ produce la reacción de hidrólisis con el disolvente (agua)

NH4+(aq) + H2O(l) « NH3(aq) + H3O+(aq)

a causa de esta reacción, el pH del punto de equivalencia se da en una zona ligeramente ácida. Esto deberá ser tenido en cuenta a la hora de elegir el indicador adecuado;

2.- además el cambio de pH que se produce en las proximidades del punto de equivalencia no es brusco como en el caso anterior. Esta circunstancia se da siempre que se valora un ácido o una base débil y hace que sea más fácil cometer errores en la valoración.


Valoración de un ácido débil con una base fuerte.

Todo lo expuesto en el punto anterior puede aplicarse a la valoración de un ácido débil con una base fuerte. Tomemos el ejemplo de la valoración de una disolución de un ácido débil (p. ej. ácetico) de concentración desconocida con una disolución de concentración conocida de una base fuerte (p. ej. NaOH). El montaje experimental sería análogo a los anteriores. Las características de esta valoración serían:

- en las cercanías del punto de equivalencia, podemos considerar que todo el ácido se ha consumido, según la reacción

CH3COOH(aq) + NaOH(aq) « CH3COO-Na+ (aq) + H2O(l)

por tanto lo que tendremos en ese punto será una disolución de ión acetato que puede producir la reacción de hidrólisis

CH3COO-(aq) + H2O(l) « CH3COOH(aq) + OH-(aq)

por tanto el punto de equivalencia se da en una zona ligeramente básica; esto deberá ser tenido en cuenta a la hora de elegir correctamente el indicador;

- de la misma forma que ocurría antes, el salto de pH que se produce en las proximidades del punto de equivalencia es mucho más pequeño que en la valoración ácido fuerte-base fuerte; esto como ya dijimos hace más difícil la valoración y aumenta la posibilidad de error.

C ¿Qué indicadores podrían escogerse para las valoraciones ácido fuerte-base débil y base fuerte-ácido débil?

C Realizar un esquema del montaje que debemos montar para realizar una valoración base fuerte-ácido débil.

C Dibujar de manera aproximada la curva de valoración pH-V correspondiente a la valoración de un ácido débil con una base fuerte.

Las valoraciones ácido débil-base débil (CH3COOH-NH3) no se estudian ya que dan lugar a saltos de pH muy pequeños, lo que aumenta notablemente la dificultad de realización y también la posibilidad de error. Es importante resaltar que cuanto mas pequeño es el salto de pH en las proximidades del punto de equivalencia, la valoración será más difícil de realizar y las posibilidades de cometer errores aumentan considerablemente. Esto se debe a que nosotros estamos interesados en obtener el valor del volumen de equivalencia lo más exacto posible; de esta forma, si en las proximidades del punto de equivalencia la variación del pH no es grande, el indicador cambiará de color de forma gradual. Esto implica que no podemos conocer con demasiada exactitud el volumen de equivalencia.

C ¿Cómo sería la gráfica pH-V correspondiente a la valoración de una base débil con un ácido débil?
[1]En ocasiones el cambio es de un determinado color a incoloro.
[2] El indicador a elegir debe incluir en su intervalo de pH de viraje, el pH del punto de equivalencia.