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CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 1 Guía de Trabajos Prácticos Química Analítica ANÁLISIS CUANTITATIVO TITULACIONES ÁCIDO-BASE Capítulos 7 y 8 CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 2 CAPÍTULO Nº 7 Análisis Cuantitativo: generalidades El análisis cuantitativo determina la cantidad de una sustancia en la muestra. Para realizar este tipo de estudio, es necesario conocer la composición cualitativa del material a analizar, esto permite elegir correctamente la técnica para la determinación cuantitativa del analito, y la adecuada preparación para su análisis (eliminación de interferencias, concentración, etc.). En la actualidad, con la instrumentación moderna y la gran variedad de mediciones químicas disponibles, puede obtenerse especificidad o la selectividad necesaria para que las mediciones cuantitativas también sirvan como cualitativas. Los análisis cuantitativos clásicos consisten en realizar dos medidas, la primera, generalmente, es medir el peso o el volumen de la muestra a analizar y la segunda es la medida de la alguna propiedad del analito cuya cantidad es proporcional a la del analito en la muestra, como la masa, volumen, intensidad luminosa o carga eléctrica. Los métodos gravimétricos determinan la masa del analito o de algún compuesto relacionado con él. La técnica consiste en separar selectivamente la sustancia a analizar empleando la precipitación y a continuación se efectúa la medición de la masa seca del precipitado. Los métodos gravimétricos se encuentran entre los más exactos de la química analítica, dado que la masa puede medirse con gran exactitud. Su esfera de aplicación es muy amplia, su desventaja es que la determinación insume mucho tiempo, por lo que no es útil para el control químico de un proceso tecnológico que se esté llevando a cabo para poder cambiar el curso del mismo y prevenir una producción defectuosa. Es así que sólo se utilizan para la determinación de elementos que no pueden ser analizados fácilmente por otro método como las volumetrías, como ser Si, Al, etc. Su ventaja radica en que son más exactos que aquellos que se basan en la medición de un volumen. En los métodos volumétricos, se mide el volumen de una solución que contiene reactivo suficiente para reaccionar por completo con el analito. El proceso se llama titulación. Su principal ventaja es su rapidez, sin embargo, los métodos volumétricos son, menos exactos que los métodos gravimétricos debido a que las mediciones de volúmenes son menos exactas que las mediciones de peso. Además, su aplicación se limita a concentraciones de analito mayores a 10-3 M. Los métodos electroanalíticos, miden propiedades eléctricas como el potencial, corriente, resistencia, y cantidad de carga. Los métodos espectroscópicos miden la interacción de la radiación electromagnética con los átomos o moléculas del analito o en determinar la producción de tal radiación por el analito mismo. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 3 El método a elegir para cuantificar la sustancia a analizar, depende de diversos factores, algunos son la proporción de analito en la muestra y la exactitud requerida en los resultados. Muchas de las técnicas disponibles tienen diversos grados de selectividad, sensibilidad, exactitud, precisión y rapidez. Análisis Volumétrico: Un valorante o disolución patrón es un reactivo de concentración conocida que se usa para realizar una valoración. La valoración se efectúa agregando lentamente el valorante desde una bureta a la solución del analito hasta que se establece que la reacción entre ambos se completó. Este procedimiento es lo que se conoce como valoración directa. El punto de equivalencia de una valoración es el punto teórico que se alcanza cuando la cantidad de valorante añadido es químicamente equivalente a la cantidad de analito en la muestra. Es imposible determinarlo experimentalmente, si se puede estimar su posición, al observar un cambio físico, por ejemplo cambio de color, relacionado con la condición de equivalencia. Este cambio se conoce como punto final de la valoración. Lo ideal es que ambos puntos sean iguales, o que la diferencia entre ambos sea muy pequeña. Esta diferencia es lo que se conoce como error de titulación. Las reacciones analíticas a usar deben cumplir con los siguientes requisitos: - La reacción entre el valorando y el valorante debe ser completa e instantánea (Kequilibrio > 104), debe completarse antes del siguiente agregado de valorante. - La reacción debe ser estequiométrica y bien definida. - No deben producirse reacciones secundarias y ha de transcurrir rápidamente. - En la zona del punto de equivalencia se deben producir cambios bruscos en las concentraciones relativas de valorante y valorando lo que va acompañado de cambios en alguna propiedad física o eléctrica de la solución. - Se debe poder detectar claramente y con exactitud el momento en que se alcanza la completitud de la reacción, sea porque el sistema lo manifiesta el mismo o se cuenta con algún método que permite evidenciarlo. Los métodos volumétricos son muy utilizados por la simplicidad del instrumental que requieren y poseer una precisión de 1 %. Clasificación de los métodos volumétricos: CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 4 Se los clasifica según el tipo de equilibrio químico involucrado durante la valoración. De esta manera tendremos: - volumetrías ácido – base, - volumetrías por precipitación, - volumetrías por formación de complejos o quelatos, - volumetrías por oxido – reducción. Preparación y contraste de soluciones valorantes: La concentración de la solución valorante debe conocerse previamente para ser usada en la determinación de la concentración del compuesto a analizar. Su papel es fundamental en la valoración, por lo que es necesario conocer sus propiedades, como se preparan y como se conservan. Deben ser soluciones suficientemente estables de modo que solo sea necesario determinar su concentración una sola vez. Las soluciones valorantes son de dos tipos: 1) Solución valorante primaria: se la prepara en forma directa con sustancias patrones, se pesa con exactitud la cantidad necesaria y se lleva a volumen en un matraz aforado. Su concentración se calcula directamente a partir de la cantidad de sustancia pesada en la balanza analítica y del volumen del matraz aforado usado, corregido por temperatura y material volumétrico. 2) Solución valorante secundaria: es aquella que se prepara con sustancias que no poseen características de patrones o estándares y en consecuencia para conocer su concentración se debe contrastar o estandarizar frente a un patrón primario. Patrón primario Un patrón primario es una sustancia de composición perfectamente definida, de elevada pureza que sirve como material de referencia en valoraciones gravimétricas y volumétricas. La exactitud del método depende sobre todo de este compuesto. Los requisitos que debe cumplir son los siguientes: - su grado de pureza será igual o superior al 99,98 %, - debe ser estable a las temperaturas de secado (100 - 120 C), y estable indefinidamente a temperatura ambiente. - debe ser de fácil conservación en estado de pureza, - debe ser estable en el aire durante la pesada (no debe ser higroscópico, ni eflorescente, ni oxidarse, ni carbonatarse), - ser perfectamente soluble en las condiciones experimentales, - debe ser fácilmente obtenible, purificable y de costo moderado, CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 5 - es conveniente que su peso equivalente sea elevado para disminuir los errores relativos de las pesadas, Conservación: Los patrones primarios deben conservarse enforma adecuada, para que no se alteren sus propiedades y su composición química. Se utilizan desecadores e higróstatos. Estos recipientes, bastante similares en su apariencia física, son cámaras herméticas (algunos están cerrados al vacío), cuya atmósfera interna tiene una humedad relativa % (HR %) que es constante y cuyo valor dependerá del compuesto a guardar. Desecador: es una cámara hermética donde el ambiente interno tiene una humedad relativa igual a cero (HR % = 0) lo que permite la conservación de sólidos secos. Son de dos tipos, los que tienen conexión para hacer vacío en su interior y los que no la tiene, figuras a y b respectivamente. Son de vidrio y en su interior poseen una placa de porcelana o de totalmente de plástico. El de vidrio es de más difícil manejo por su peso, pero permite un cierre totalmente hermético. En él se guardan los patrones primarios que deben mantenerse anhidros (sin agua de cristalización ni humedad residual), por ejemplo: cloruro de potasio, biftalato de potasio, trióxido de arsénico, etc. Esto resulta de colocar en el fondo de la cámara una sustancia que actúa como desecante por absorber la humedad del medio ambiente en contacto con ella (sílica gel, CaCl2 anhidro, CaO calcinado, Mg(ClO4)2, etc.). Las sustancias que actúan como desecantes son sustancias higroscópicas. La sílica gel es el agente desecante más comúnmente empleado, cuando se la emplea como desecante, lleva incorporadas sales de cobalto, estas son azules en estado anhidro, y rosa cuando están hidratadas. Una sílica rosa indica que se ha humedecido y por lo tanto, hay humedad en la cámara y debe reemplazase la sílica por otra anhidra. La sílica húmeda puede ser regenerada por secado en estufa a 100 -105 C. A B CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 6 Desecantes Agua remanente en la atmósfera (µg H2O/L) Perclorato de magnesio anhidro 0,2 Alúmina 2,9 Pentóxido de fósforo 3,6 Cloruro de calcio desecado a 127ºC 67 Hidróxido de sodio 513 Óxido de calcio 656 Óxido de magnesio 753 Hidróxido de potasio 939 Higróstato: es una cámara donde se generan atmósferas de HR % > 0, normalmente se usan recipientes similares a los desecadores sin vacío. Ésta debe ser mantenida a temperatura constante pues la HR % (y por lo tanto la actividad de agua) varía con la temperatura. Las drogas con agua de cristalización deben conservarse en recintos con una tensión de vapor tal que impida tanto la pérdida como la absorción de nuevas moléculas de agua. Por ejemplo, el bórax debe conservarse en una cámara hermética dentro de la cual el ambiente tenga la misma actividad de agua que el bórax: αagua B4O7Na2.10H2O = αagua ambiente interno de la cámara Sólo en estas condiciones estamos en el equilibrio termodinámico y por lo tanto el bórax no ganará más moléculas de agua ni perderá las que debe tener. 𝑎𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝐻𝑅 % 100 𝐻𝑅 % = humedad relativa del ambiente interno de la cámara En este caso en particular, se coloca en el fondo de la cámara una solución de sacarosa y cloruro de sodio que con el tiempo, por evaporación parcial, genera la HR % deseada. La composición de la solución que se coloca en el fondo del higróstato varía en función de la droga que se conserva. Preparación de soluciones valorantes: El modo de preparación de la solución valorante depende de si se trata de un valorante primario (método directo) o uno secundario (método indirecto). El método directo consiste en pesar la cantidad de patrón primario necesaria en balanza analítica, disolverlo en el solvente apropiado y una Sílica azul: ambiente seco Sílica rosa: ambiente húmedo CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 7 vez a temperatura ambiente, se diluye hasta el volumen que corresponde en un matraz volumétrico aforado. Por este método solo se preparan soluciones valorantes primarias, un ejemplo es el dicromato de potasio, empleado en titulaciones redox. El método indirecto se utiliza para preparar la mayor parte de las soluciones valorantes ácidos, básicos, valorantes redox (yodo, tiosultfato, permanganato), valorantes de precipitación como el tiocianato, de quelatovolumetrías como el EDTA y toda otra especie química que pueda emplearse como valorante pero que no cumple con los requisitos para ser patrón primario. En este caso el cálculo de la cantidad a pesar se realiza del mismo modo que en el método directo, pero la pesada no es necesario realizarla en balanza analítica. Se puede trabajar con balanza granataria o semianalítica. Tampoco es necesario llevar a volumen en matraz aforado, puede usarse una probeta de capacidad adecuada para completar y llevar a volumen. Es posible operar de este modo porque el título de la solución va a ser determinado por un contraste o estandarización frente al patrón primario adecuado. Para realizar un contraste se pesa una cantidad de patrón primario tal que permita un consumo de la solución a valorar igual a las 4/5 partes del volumen contenido en la bureta. Se elige gastar un volumen de solución valorante igual a 4/5 del volumen total de la bureta, de esta manera, el error relativo debido a las dos lecturas del volumen no será mayor al 0,1 %. ¿Por qué no considera el volumen total de la bureta? La reacción ocurre equivalente a equivalente, por lo tanto, se cumple que: n mEvalorante = n mEpp (4/5 x V x N)valorante = ( 𝑝 𝑚𝐸 ) 𝑝𝑝 p = 4/5 x Vbureta x NValorante x mEpp donde p es la cantidad de patrón primario a pesar en una balanza analítica. Conservación y uso correcto de las soluciones valorantes: Las soluciones valorantes son reactivos que una vez preparadas pueden permanecer inalterables por tiempo prolongado, siempre y cuando se conserven en forma adecuada y se usen correctamente, para esto es necesario tomar ciertas precauciones: - El frasco debe estar adecuadamente rotulado, debe indicarse que sustancia es, concentración, fecha de preparación y contraste si corresponde. Si corresponde fecha de vencimiento. En lo posible debe contener su pictograma de seguridad. - El frasco empleado para la conservación debe ser inerte químicamente con la solución a guardar y debe permitir un cerrado hermético para evitar evaporación del solvente y en consecuencia la modificación de la concentración. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 8 - Antes de extraer solución del frasco se agitará con mucho cuidado para asegurar uniformidad de su composición, tanto de la porción extraída como del remanente en el frasco. - Nunca debe pipetearse del frasco, se debe volcar en un vaso de precipitados la cantidad aproximada de solución a emplear. La porción sobrante de solución valorante extraída del frasco tampoco debe verterse nuevamente en el frasco. De esta manera, se reduce al mínimo el riesgo de contaminación de la solución valorante. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 9 CAPÍTULO Nº 8 Titulaciones Ácido-Base En una valoración ácido - base ocurre una reacción de neutralización, en la cual un ácido reacciona con una cantidad equivalente de base. Este tipo de valoraciones son las más comunes, tienen aplicación en el control de materias primas, en el monitoreo de reacciones en las cuales se generan o consumen protones, en la bioquímica clínica, alimentos, etc. Curvas de Titulación: Para las titulaciones ácido - base, la curva se obtiene graficando pH o pOH en función de los mililitros de valorante añadido o en función de la fracción titulada (ft). Estos gráficos nos permiten predecir la factibilidad de la titulación, elegir la metodología experimental adecuada para determinar el punto de equivalencia, (indicadores visuales, potenciometría, o medio no acuoso), determinar si es un ácido o base débil o fuerte, determinar Ka o Kb, determinar el pHen el punto de equivalencia. La fracción titulada (ft) representa que parte o fracción del total de sustancia a valorar ya ha reaccionado con el valorante. ft = fracción titulada = 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 valores de ft < 1 no se llegó al punto de equivalencia valores de ft =1 en el punto de equivalencia valores de ft >1 se ha añadido exceso de valorante Así, por ejemplo, ft = 0 significa que aún no ha comenzado la valoración ft = 0,25 significa que ha reaccionado el 25 % del valorando ft = 1 significa que ha reaccionado el 100 % del valorando, o sea, el punto de equivalencia. Titulación de un ácido fuerte con una base fuerte: Valoración de 50,00 mL de HCl 0,100 M con NaOH 0,100 M. Calcular el pH para valores de ft = 0,0; 0,5; 1,0; 1,2. En este caso, se cede y consume un sólo protón, en consecuencia la normalidad y molaridad tanto del valorando como del valorante son iguales. ft = fracción titulada = 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 = 𝑁𝑏× 𝑉𝑏 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 pH inicial: CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 10 ft = 0,0 Vb = 0 mL HCl H+ + Cl- H2O H+ + OH- 𝐾𝑤 = [𝐻+] × [𝐻𝑂−] = 1 × 10−14 BM para Cl- Cl- = 0,100 M BQ: H+ = OH- + Cl- Se trata de un ácido fuerte y de concentración relativamente elevada, por lo tanto la H+ aportada por el agua es muy pequeña respecto a la del ácido, por consiguiente, se la puede despreciar. Esta consideración se cumple para todos los puntos de la curva antes del punto de equivalencia, por lo tanto: H3O+ Cl- = 0,100 pH = - log 0,100 pH = 1,00 pH a ft = 0,5 Para valores de ft es < 1 indica que se neutralizó parte del ácido el cual sigue en exceso, no se ha llegado al punto de equivalencia. HCl H+ + Cl- NaOH OH- + Na+ La ecuación de la titulación es: H+ + OH- H2O BQ: OH- + Cl- = H+ + Na+ si se desprecia el aporte de H+ del solvente: Cl- H+ + Na+ H+ = Cl- - Na+ = 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 − 𝑁𝑏 × 𝑉𝑏 𝑉𝑎 + 𝑉𝑏 (1) 𝑓𝑡 = 𝑁𝑏× 𝑉𝑏 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑉𝑏 = 𝑓𝑡 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏 (2) reemplazando (2) en (1): [𝐻+] = 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 − 𝑁𝑏 × 𝑓𝑡 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏 𝑉𝑎 + 𝑓𝑡 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏 (3) simplificando y reordenando (3) se obtiene la expresión matemática que permite calcular la H+ para la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte, en función de las normalidades y de ft, antes de alcanzar el punto de equivalencia: [𝐻+] = 1−𝑓𝑡 1 𝑁𝑎 + 𝑓𝑡 𝑁𝑏 (4) CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 11 [𝐻+] = 1− 0,5 1 0,100 + 0,5 0,100 = 0,0333 M pH = 1,47 pH a ft = 1,0 En este punto ha reaccionado la totalidad del valorando, por consiguiente, es el punto de equivalencia. Para el caso de las titulaciones ácido - base fuerte la única fuente de iones hidronio e hidróxido es el agua. En este caso particular, en este punto en el Erlenmeyer hay una solución de cloruro de sodio de concentración C molar. H2O H+ + OH- Kw = H3O+ x OH- = 1 x 10-14 H3O+ = OH- = √𝐾𝑤 = 1 x 10-7 pH = 7,00 pH a ft = 1,2 Un valor de ft mayor a 1 indica que se está por encima del punto de equivalencia, la solución contiene un exceso de valorante que en este caso es una base fuerte: H2O H+ + OH- NaOH OH- + Na+ BQ: OH- + Cl- = H+ + Na+ En este punto el pH de la solución es alcalino por tratarse de una solución de una base fuerte de concentración elevada, y al igual que al comienzo de la curva, se puede despreciar la [H+] frente a [Na+]: Na+ Cl- + OH- OH- = Na+ - Cl- [𝑂𝐻−] = 𝑁𝑏 × 𝑉𝑏 − 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 𝑉𝑎 + 𝑉𝑏 (5) 𝑓𝑡 = 𝑁𝑏× 𝑉𝑏 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑉𝑏 = 𝑓𝑡 = 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏 (6) reemplazando (6) en (5) y efectuando las mismas operaciones matemáticas que posibilitaron obtener la expresión (4) se llega a la expresión matemática (7) que permite calcular la OH- en la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte, en función de las normalidades y de ft, después de alcanzar el punto de equivalencia: [𝑂𝐻−] = 𝑓𝑡−1 1 𝑁𝑎 + 𝑓𝑡 𝑁𝑏 (7) [𝑂𝐻−] = 1,2 − 1 1 0,100 + 1,2 0,100 = 9,00 × 10−3 𝑀 CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 12 pOH = 2,04 pH = 14,00 - 2,04 pH = 11,96 La figura 1 muestra la curva de valoración de ácido clorhídrico 0,100 N con hidróxido de sodio 0,100 N y la tabla 1 los valores correspondientes a la misma. Al analizar el gráfico de la figura 1, puede notarse que al comienzo de la misma el pH se eleva gradualmente conforme se adiciona el valorante. Esta resistencia al cambio de pH se debe a que soluciones concentradas (0,1 N) de ácidos y bases fuertes se comportan como soluciones reguladoras a valores de pH altos o bajos: Si a 100 mL de HCl 0,1 N los cuales contienen 10 mE de H+ y su pH es 1,00 se le adiciona 1 mE de base (10 mL de NaOH 0,1 N), el pH aumenta 0,05 unidades. Si a 100 mL de HCl 0,01 N los cuales contienen 1 mE de H+ y su pH es 2,00 se le adiciona 1 mE de base, el pH aumenta 5 unidades. La disminución de la capacidad para amortiguar cambios de pH es consecuencia de la menor cantidad de H+ y de OH- que contiene la solución más diluida. La otra característica importante que puede observarse es el gran salto de pH que se produce en las cercanías al punto de equivalencia, el agregado mL NaOH 0,1 M Figura 1. Curva de valoración de ácido clorhídrico 0,100 N con solución de hidróxido de sodio 0,100 N. ft mL NaOH pH 0,0 0,00 1,00 0,2 10,00 1,18 0,5 25,00 1,48 0,6 30,00 1,60 0,8 40,00 1,95 0,98 49,00 3,00 0,998 49,90 4,00 0,999 49,95 4,30 1,00 50,00 7,00 1,001 50,05 9,70 1,002 50,10 10,00 1,02 51,00 11,00 1,20 60,00 11,96 Tabla 1. Cambios de pH durante la valoración de ácido clorhídrico 0,100 N con hidróxido de sodio 0,100 N. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 13 de 0,2 mL de solución valorante (0,02 mE) produce una modificación en el pH de 6 unidades (Tabla 1). Este cambio brusco en el pH es lo que permite determinar experimentalmente el punto de equivalencia con el agregado de gotas de valorante (Tabla 1). El volumen más pequeño que puede descargarse con una bureta es una gota, 0,05 mL. El agregado de una gota de valorante neutraliza 0,005 miliequivalentes de ácido que corresponden a una variación de ft de 0,001 unidades produce una variación de pH de más de una unidad. En toda titulación ácido fuerte - base fuerte el pH en el punto de equivalencia es 7,00. Esto es debido, a que en todos los casos, como resultado de la reacción de valoración solo se forma agua, quedando en solución los cationes y aniones que son ácidos y bases conjugados débiles que no hidrolizan, no aportando OH- ni H+ a la solución. En consecuencia, la única fuente de dichos iones es la disociación del agua. El pH final en una valoración ácido - base fuerte nunca será mayor o menor que el pH correspondiente a la solución valorante, en este ejemplo, se observa que la curva se hace asintótica a un pH = 13,00. ¿Por qué el pH no puede ser mayor al correspondiente a la solución valorante? Titulación de una base fuerte con un ácido fuerte: En la valoración de una base fuerte con un ácido fuerte se obtiene el mismo tipo de curva que en la titulación de un ácido fuerte. Si se grafica pH en función del volumen valorante, el valor de pH inicial es alcalino y el final es ácido. El pH del punto de equivalencia es el mismo. La curva tiene la siguiente forma y se pueden sacar las mismas conclusiones: Nota: Si se grafica pOH = f(volumen valorante) el gráfico es superponible al de la figura 1. Las fórmulas para hacer loscálculos son análogas a las vistas para la titulación de un ácido fuerte: • antes de alcanzar el punto de equivalencia el pH es alcalino, por lo tanto: mL HCl 0,1 M Figura 2. Titulación de hidróxido de sodio 0,100 M con ácido clorhídrico 0,100 M. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 14 [𝑂𝐻−] = 1−𝑓𝑡 1 𝑁𝑏 + 𝑓𝑡 𝑁𝑎 (8) • después del punto de equivalencia el pH es ácido: [𝐻+] = 𝑓𝑡−1 1 𝑁𝑏 + 𝑓𝑡 𝑁𝑎 (9) Titulación de un ácido débil con una base fuerte: Valoración de 50,00 mL de AcH 0,100 M con NaOH 0,100 M. Calcular el pH para ft = 0,0; 0,2; 0,5; 1,0; 1,2. En este caso, también se cede y consume un sólo protón, por lo tanto la normalidad y molaridad del valorando y del valorante son iguales: ft = 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛° 𝑚𝐸 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 = 𝑁𝑏× 𝑉𝑏 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 pH a ft = 0,0: En este punto corresponde a la solución de un ácido débil: AcH Ac- + H+ 𝐾𝑎 = [𝐴𝑐−] × [𝐻+] [𝐻𝐴𝑐] = 1,8 × 10−5 H2O H+ + OH- 𝐾𝑤 = [𝐻+] × [𝐻𝑂−] = 1 × 10−14 BM: Ca = Ac- + AcH BQ o EBP: H+] = OH- + [Ac-] se desprecia la fracción disociada (Ac-) frente a la no disociada (AcH) y el aporte protónico del agua (OH-) frente al del ácido: Ca AcH H+] [Ac-] sustituyendo en la expresión de Ka: 𝐾𝑎 = [𝐻+]2 𝐶𝑎 [H+] = √𝐾𝑎 × 𝐶𝑎 [H+] = √1,8 × 10−5 × 0,1000 = 1,34 x 10-3 M pH = 2,87 Nota: Verificación de los desprecios realizados: [Ac-] = [H+] = 1,34 x 10-3 < 0,1 x 0,100 bien despreciado la fracción disociada. [𝑂𝐻−] = 𝐾𝑤 [𝐻+] = 1 × 10−14 1,34 × 10−3 = 7,4 x 10-12 << 1,34 x 10-3 M bien despreciado el aporte del agua. Estas dos condiciones se cumplen en todos los casos que son válidas estas titulaciones, por lo tanto no es necesario su comprobación. pH a ft = 0,2: CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 15 Al agregar base fuerte a la solución de ácido acético se forma una cantidad equivalente de Ac- a la cantidad de OH- agregado, obteniéndose una solución reguladora compuesta por AcH y Ac-: AcH Ac- + H+ NaOH OH-+ Na+ H+ + OH- H2O BQ: [Ac-] + [HO-] = [Na+] + [H+] 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + 𝑙𝑜𝑔 [𝐴𝑐−] [𝐻𝐴𝑐] (10) sabiendo que: [𝐴𝑐−] = 𝑁𝑏×𝑉𝑏 𝑉𝑎+𝑉𝑏 (11) [𝐻𝐴𝑐] = 𝑁𝑎×𝑉𝑎−𝑁𝑏×𝑉𝑏 𝑉𝑎+𝑉𝑏 (12) reemplazando (11) y (12) en (10) y simplificando: 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + log 𝑁𝑏×𝑉𝑏 𝑉𝑎+𝑉𝑏 𝑁𝑎×𝑉𝑎−𝑁𝑏×𝑉𝑏 𝑉𝑎+𝑉𝑏 = (13) 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + log 𝑁𝑏 × 𝑉𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 − 𝑁𝑏 × 𝑉𝑏 reemplazando (2) en (13) se obtiene la ecuación final (14) para calcular el pH en función de ft en la valoración de un ácido débil con una base fuerte: 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + log 𝑓𝑡 1−𝑓𝑡 (15) 𝑝𝐻 = 4,74 + log 0,2 1 − 0,2 pH = 4,14 pH a ft = 0,5: En este caso la cantidad de valorante agregada es tal que indica que se ha neutralizado al 50 % de valorando, se cumple que: [AcH] = [Ac-] 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + 𝑙𝑜𝑔 [𝐴𝑐−] [𝐻𝐴𝑐] pH = 4,74 = pKa pH a ft = 1,0: Este punto corresponde al momento de la valoración en la cual se ha agregado un volumen de valorante tal que se han neutralizado todos los miliequivalentes del ácido débil y este se ha transformado completamente en su base conjugada. En el Erlenmeyer hay una solución de NaAc de concentración C molar. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 16 AcNa Ac- + Na+ Ac- + H2O AcH + OH- 𝐾𝑏𝐴𝑐− = [𝐻𝐴𝑐]× [𝑂𝐻−] [𝐴𝑐−] NaOH OH-+ Na+ H2O H+ + OH- EBP: [AcH] + H+] = OH- BM: Cs = [Ac-] + [AcH] = 𝑁𝐴× 𝑉𝐴 𝑉𝐴+ 𝑉𝐵 Suponiendo que tanto el aporte de HO- del solvente como la concentración de [AcH] es despreciable frente a la concentración de la sal: Cs = [Ac-] [AcH] = [HO-] 𝐾𝑏 = [𝑂𝐻−]2 𝐶𝑠 = 𝐾𝑤 𝐾𝑎 [𝑂𝐻−] = √ 𝐾𝑤 𝐾𝑎 × 𝐶𝑠 (16) 𝐶𝑠 = 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑉𝑎+ 𝑉𝑏 y 𝑉𝑏 = 𝑓𝑡 𝑁𝑎×𝑉𝑎 𝑁𝑏 recordando que para ft = 1 se cumple que: 𝑉𝑏 = 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏 reemplazando en (16) y operando algebraicamente se obtiene: [𝑂𝐻−] = √ 𝐾𝑤 𝐾𝑎 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑉𝑎 + 𝑉𝑏 = √ 𝐾𝑤 𝐾𝑎 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑉𝑎 + 𝑁𝑎 × 𝑉𝑏 𝑁𝑏 = √ 𝐾𝑤 𝐾𝑎 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 1 + 𝑁𝑎 𝑁𝑎 [𝑂𝐻−] = √ 𝐾𝑤 𝐾𝑎 × 𝑁𝑎× 𝑉𝑎 𝑁𝑏+𝑁𝑎 (17) [𝑂𝐻−] = √ 1 × 10−14 1,8 × 10−5 × 0,100 × 0,100 0,100 + 0,100 = 5,27 × 10−6𝑀 pOH = 5,28 pH = 14,00 - 5,28 = 8,72 El pH en el punto de equivalencia para ácidos débiles es siempre mayor a 7, ¿por qué? pH a ft = 1,2 AcNa Ac- + Na+ Ac- + H2O AcH + OH- (1) NaOH OH-+ Na+ H2O H+ + OH- CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 17 BQ: [Ac-] + [OH-] = [Na+] + [H+] En este punto, es válido suponer que [H+] y [AcH] son despreciables; además, el exceso de base agregada desplaza el equilibrio (1) hacia la izquierda y el pH va a corresponder al de una base fuerte que ha sufrido la dilución debida a la titulación. A partir de este punto las curvas de titulación de un ácido débil y de un ácido fuerte valorados con el mismo valorante son iguales. [𝑂𝐻−] = 𝑓𝑡 − 1 1 𝑁𝑎 + 𝑓𝑡 𝑁𝑏 = 1,2 − 1 1 0,100 + 1,2 0,100 = 9,00 × 10−3 𝑀 pOH = 2,04 pH = 14,00 - 2,04 = 11,96 En la figura 3 se observan ambas curvas en el mismo gráfico: La curva que corresponde al ácido acético comienza a un valor de pH mayor que el ácido fuerte de igual concentración analítica (Tabla 2). Al inicio de la titulación, con el agregado de poca cantidad de valorante, el pH se eleva rápidamente. Esto es debido a que la relación [AcH]/[Ac-] es numéricamente grande, [AcH] >> [Ac-]. Posteriormente, con el agregado de más cantidad de valorante se entra en la región donde las concentraciones de AcH y Ac- son significativas y es la zona donde mayor resistencia al cambio de pH se encuentra (cuando se neutralizó la mitad del ácido, el pH = pKa, para un buffer es máxima su capacidad reguladora), por eso la curva es relativamente horizontal hasta que casi todo el ácido débil ha sido valorado. La adición de base en la región próxima al punto de equivalencia causará un cambio significativo mayor en la [AcH] (en forma relativa, ya que es Figura 3. Curvas de valoración de ácido clorhídrico y de ácido acético 0,100 M con solución de hidróxido de sodio 0,100 M. ft mL NaOH pH 0,0 0,00 2,87 0,2 10,00 4,14 0,5 25,00 4,74 0,8 40,00 5,36 0,98 49,00 6,45 0,998 49,90 7,46 1,00 50,00 8,73 1,002 50,10 10,00 1,02 51,00 11,00 1,20 60,00 11,96 1,50 70,00 12,30 Tabla 2. Cambios de pH durante la valoración de ácido clorhídrico 0,100 M con hidróxido de sodio 0,100 M. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 18 ahora pequeña) que en la [Ac-], que es ahora grande. Como resultado, la velocidad de disminución de la relación [AcH]/[Ac-] aumenta a medida que aumenta el pH. Esta zona es análoga al comienzo de la curva de titulación. Al igual que en la curva de titulación de u ácido fuerte, puede observarse un salto de pH en las cercanías al punto de equivalencia, pero de menor magnitud y este cambio brusco en el pH, a pesar de ser menor que el de un ácido fuerte, permite igualmente la determinación experimental del punto de equivalencia con el agregado de gotas de valorante (Tabla 2). En este caso el pH en el punto de equivalencia es 8,72; por tratarse de un ácido débil, está por encima de 7; debido a la formación de una solución de NaAc 0,05 M y el pH está dado por la hidrólisis alcalina del ion acetato. Para el caso de la titulación de una base débil, el pH en el punto de equivalencia está siempre por debajo de 7, consecuencia de la ionización ácida de la especie conjugada. Por ejemplo, en la titulación de NH3 con HCl enel punto de equivalencia se obtiene una solución de ClNH4 y su pH se debe a la hidrólisis del ácido conjugado, el ion NH4+: NH4+ + H2O NH3 + H3O+ Por encima del punto de equivalencia ambas curvas coinciden debido al empleo de una solución valorante de una base fuerte de igual concentración. En ambos casos el pH está dado por el exceso de NaOH 0,100 M agregado. Efecto de la concentración y fuerza del ácido: La figura 4 muestra el efecto de la concentración de valorante y valorante en la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte. Se observa que la magnitud del pH en la zona del punto de equivalencia depende de las concentraciones de ambas soluciones. El pH disminuye con la disminución de la concentración de ambos, por lo tanto soluciones de ácidos y/o bases fuertes muy diluidas no podrán valorarse. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 19 El mismo efecto de la concentración de las soluciones se manifiesta en las valoraciones de ácidos débiles y/o bases débiles (figura 5). Las consideraciones efectuadas para la obtención de los valores de pH en la curva de valoración de ácido acético 0,100 M con una base fuerte, no son válidas al disminuir su concentración, para soluciones de menor concentración debe utilizarse la ecuación cuadrática. Debe notarse que el efecto de la dilución del valorando se observa fundamentalmente cuando la diferencia entre las concentraciones de las especies del par ácido - base débil es muy diferente. En la zona intermedia de la curva, no se observan cambios en los valores de pH debido a la dilución, esto demuestra que el pH de una solución amortiguadora o buffer es independiente de la dilución. Figura 5. Efecto de la concentración de valorante y valorando en las curvas de titulación de ácido débil con base fuerte. Figura 4. Efecto de la concentración de valorante y valorando sobre las curvas de titulación de ácido fuerte con base fuerte. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 20 Asimismo, a medida que los ácidos y bases se vuelven más débiles el cambio de pH en la zona del punto de equivalencia es cada vez menor (figura 6). Figura 6. Efecto del valor de Ka en las curvas de titulación de (a) ácido débil - base fuerte y (b) base débil - ácido fuerte. Compuesto Ka Ion amonio 5,70 x 10-10 Ion hidroxil amonio 1,10 x 10-6 Ácido nitroso 7,10 x 10-4 Ácido cianhídrico 6,20 x 10-10 Ácido hipocloroso 3,00 x 10-8 Ácido acético 1,75 x 10-5 Para un ácido o base débil combinando los efectos de la concentración de la solución con el de su fuerza ácida o básica, si el producto de la concentración inicial del ácido y su constante resulta menor a 10-8 la titulación es prácticamente imposible de llevarla a cabo volumétricamente con fines cuantitativos. Para sustancias cuyas Ka o Kb sean inferiores a 10-8 es muy dificultoso localizar el punto de equivalencia obteniéndose mejores resultados con las valoraciones en medios no acuosos. Indicadores ácido - base Son sustancias orgánicas que por su estructura química son ácidos o bases débiles que poseen un color en su forma no disociada y otro color en su forma ionizada. El color que le imparten a la solución que los contiene depende del pH de la misma y es consecuencia de cambios en la estructura interna de las mismas. Un indicador ácido se puede representar como InH: HIn + H2O In- + H3O+ 𝐾𝑎 = [𝐼𝑛−] × [𝐻3𝑂 +] [𝐻𝐼𝑛] color ácido color básico (a) (b) Tabla 3. Valores de Ka de los ácidos cuyas curvas de titulación se presentan en la Figura 6. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 21 y un indicador básico es In + H2O InH+ + HO- 𝐾𝑏 = [𝐼𝑛𝐻+] × [𝑂𝐻− ] [𝐼𝑛] color básico color ácido Las formas ácidas HIn e InH+ predominan en medio ácido y son las responsables de los colores ácidos y las formas básicas In- e In son las responsables del color básico predominando a pH alcalinos. El intervalo de transición o intervalo de viraje de un indicador es el rango de la escala de pH en el cual se hace perceptible el cambio de color del indicador. El ojo humano no es muy sensible a los cambios en el color en una solución que contiene una mezcla de ambas formas del indicador, en particular cuando la proporción [HIn]/[In-] es mayor a 10 o menor a 0,1. Se necesita que la concentración de una de las formas del indicador sea entre cinco a diez veces mayor que la otra para que un observador medio pueda detectar cambios en la coloración. A valores de concentración mayores o menores el color parece inalterable para el ojo humano y es independiente de la concentración. Por lo tanto, un indicador HIn tiene su color ácido puro cuando se cumple que: [𝐼𝑛−] [𝐻𝐼𝑛] ≤ 1 10 y su color básico puro cuando: [𝐼𝑛−] [𝐻𝐼𝑛] ≥ 1 10 y el color de la solución es intermedio para relaciones de concentración entre ambos valores. 𝐾𝑎 = [𝐼𝑛−] × [𝐻3𝑂 +] [𝐻𝐼𝑛] [𝐻3𝑂 +] = 𝐾𝑎 × [𝐻𝐼𝑛] [𝐼𝑛−] Por lo tanto, para ver el color ácido completo debe cumplirse que: [𝐼𝑛−] [𝐻𝐼𝑛] ≤ 1 10 [𝐻3𝑂 +] = 𝐾𝑎 × 10 1 = 10 × 𝐾𝑎 y para obtener el color básico completo debe cumplirse que: [𝐼𝑛−] [𝐻𝐼𝑛] ≥ 10 1 [𝐻3𝑂 +] = 𝐾𝑎 × 1 10 = 𝐾𝑎 10 = 0,1 × 𝐾𝑎 Para obtener el intervalo de pH del indicador se toman los logaritmos negativos de ambas expresiones: pH color ácido = - log (10 x Ka) = pKa + 1 pH color básico = - log (0,1 x Ka) = pKa – 1 CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 22 Esto nos indica el mínimo cambio de pH que se requiere para que ocurra un cambio de color. La zona de viraje o intervalo de pH de transición de un indicador, es el rango de pH en el cual el color visible del indicador cambia de completamente ácido a alcalino o viceversa. Por ejemplo, un indicador que vira del rojo al amarillo cuyo pKa = 5,0 tendrá una zona de viraje entre pH 4,0 a 6,0; por encima de pH 6,0 el color será amarillo, por debajo de pH 4,0 será rojo y entre pH 4,0 y 6,0 el color será anaranjado. Para los indicadores básicos se obtiene una relación semejante en forma análoga. La amplitud de la zona de viraje no es la misma para todos los indicadores porque depende de la sensibilidad con que puede percibirse el color de una forma en presencia de la otra. El pH en el cual un indicador cambia de color depende de la temperatura, fuerza iónica, presencia de solventes orgánicos de partículas coloidales, efectos que pueden ocasionar que el intervalo de transición se desplace una o más unidades de pH. intervalo de pH del indicador = pKa ± 1 CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 23 Indicadores de neutralización Indicador Intervalo de transición (pH) Color de la forma ácida Color de la forma básica Violeta de metilo 0,0 – 1,6 Amarillo Azul Rojo de cresol 0,2 – 1,8 Rojo Amarillo Azul de timol 1,2 – 1,8 Rojo Amarillo Púrpura de cresol 1,2 – 2,8 Rojo Amarillo Eritrosina disódica 2,2 – 3,6 Anaranjado Rojo Amarillo de metilo 2,9 – 4,0 Rojo Amarillo Anaranjado de metilo 3,1 – 4,4 Rojo Anaranjado Rojo Congo 3,0 – 5,0 Violeta Rojo Anaranjado de etilo 3,4 – 4,8 Rojo Amarillo Verde de bromocresol 3,8 – 5,4 Amarillo Azul Rojo de metilo 4,8 – 6,0 Rojo Amarillo Rojo de clorofenol 4,8 – 6,4 Amarillo Rojo Púrpura de bromocresol 5,2 – 6,8 Amarillo Púrpura p-Nitrofenol 5,6 – 7,6 Incoloro Amarillo Tornasol 5,0 – 8,0 Rojo Azul Azul de bromotimol 6,0 – 7,6 Amarillo Azul Rojo de fenol 6,4 –8,0 Amarillo Rojo Rojo neutro 6,8 – 8,0 Rojo Naranja Rojo de cresol 7,2 – 8,8 Amarillo Rojo -Naftolftaléina 7,3 – 8,7 Amarillo Azul Púrpura de cresol 7,6 – 9,2 Amarillo Púrpura Azul de timol 8,0 – 9,6 Amarillo Azul Fenolftaleína 8,0 – 9,6 IncoloroRojo Timolftaleína 8,3 – 10,5 Incoloro Azul Amarillo de alizarina 10,1 – 12,0 Amarillo Naranja-rojo Nitramina 10,8 – 13,0 Incoloro Naranja-café Tropeolina O 11,1 – 12,7 Amarillo Naranja CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 24 Selección de un indicador: El intervalo de transición de pH de un indicador debe corresponder al cambio brusco en el pH (ó pOH) que es característico de la zona del punto de equivalencia en una volumetría de neutralización, para minimizar el volumen del reactivo valorante necesario para producir el cambio de dos unidades de pH que se requiere para que el indicador cambie de color. Por ejemplo: Verde de bromocresol 3,8 - 5,4 amarillo al azul Azul de bromotimol 6,0 - 7,6 amarillo al azul Fenolftaleína 8,0 - 9,6 incoloro al rojo violáceo En la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte de concentración 0,1 N el salto de pH en la zona del punto de equivalencia es muy amplio (pH 4,00 a 10,00). Los intervalos de transición pH de los tres indicadores están comprendidos dentro del mismo. Para los tres indicadores se observa el cambio de color de la forma ácida a la forma alcalina al agregar una o dos gotas de solución valorante en las cercanías del punto de equivalencia. Las diferencias de volumen en la valoración con los tres indicadores son de la misma magnitud que las incertidumbres asociadas a la lectura de la bureta, por lo que son despreciables. En la curva A de la figura 1 se observa que los tres indicadores son aptos para esa titulación. En el caso el salto de pH ocurre entre valores de pH 4,22 y 9,78. La situación cambia cuando se realiza la titulación de soluciones de ácidos o bases más diluidas. La curva B de la figura 1 muestra la curva de valoración de un ácido clorhídrico valorado con la misma base fuerte pero ambas soluciones están 100 veces más diluidos que las correspondientes a curva A y el pH en la zona de equivalencia varía de pH 4,72 a pH 9,28. Este salto es una unidad de pH más chico que el correspondiente a la curva A. El verde de bromocresol es totalmente inadecuado, debido a que el cambio de color tendrá lugar en un importante intervalo de volúmenes de valorante (5 mL) mucho antes del punto de equivalencia, la transición a la forma Figura 1. Curva de titulación para HCl con NaOH. A: 50,00 mL de HCl 0,0500 N con NaOH 0,1000 N. B: 50,00 mL de HCl 0,000500 N con NaOH 0,0010 N. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 25 alcalina se completa esencialmente antes de que se alcance el mencionado punto, lo que resulta un significativo error de valoración. Las mismas objeciones pueden hacerse al uso de la fenolftaleína. De los tres indicadores únicamente el azul de bromotimol proporcionará un punto final satisfactorio con un mínimo error sistemático de valoración. Las figuras 2 y 3 muestran claramente que la elección del indicador para la titulación de un ácido o base débil es más limitada que para un ácido o base fuerte. En la titulación de ácido acético 0,1 N (figura 2) el punto de equivalencia ocurre a pH 8,73 y el cambio de pH cerca del punto de equivalencia es menor que para un ácido fuerte de igual concentración. En este caso el salto ocurre entre pH 6,95 y pH 10,50. Se puede observar que Figura 2. Curva de titulación de ácido acético con NaOH. A: ácido 0,1000 N con NaOH 0,1000 N. B: ácido 0,00100 N con NaOH 0,0010 N. Figura 3. Curvas de titulación de 50,00 mL de base débil 0,1000 N de diferentes Kb con HCl 0,1000 N. pH A CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 26 de los tres indicadores mencionados la fenolftaleína es el más adecuado. No se puede utilizar el verde de bromocresol ya que virará a un pH por encima de 5,40 donde todavía no se alcanzó la sección empinada de la curva, y además su viraje ocurrirá con el agregado de varios mL de solución valorante. El azul de bromotimol es adecuado, su viraje comienza antes de alcanzar la zona del salto de pH, pero se completa al alcanzar la sección empinada de la curva de valoración. La fenolftaleína es el indicador más adecuado ya que tiene una zona de viraje en la región alcalina dentro del cual está comprendido el pH correspondiente al punto de equivalencia y se observará su cambio de color con una o dos gotas de solución valorante. Error de titulación: El error de titulación es la diferencia entre el punto final y el punto de equivalencia. El error de titulación puede expresarse como la diferencia entre el volumen del reactivo valorante que corresponde al punto final y el volumen de ese reactivo correspondiente al punto de equivalencia. Et = Vf - Ve Vf: volumen de valorante en el punto final Ve: volumen de valorante en el punto de equivalencia Si lo expresamos como error relativo: 𝐸𝑡 = 𝑉𝑓−𝑉𝑒 𝑉𝑒 (1) también lo podemos expresar como: Et = ft - 1 En el punto de equivalencia: nº mEa = nº mEb Na x Va = Nb x Vb 𝑉𝑏 = 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 𝑁𝑏 reemplazando en (1) 𝐸𝑡 = 𝑉𝑓− 𝑁𝑎 × 𝑉𝑏 𝑁𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 𝑁𝑏 = 𝑉𝑓× 𝑁𝑏−𝑁𝑎× 𝑉𝑏 𝑁𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 𝑁𝑏 = 𝑉𝑓× 𝑁𝑏−𝑁𝑎× 𝑉𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 = 𝑉𝑓× 𝑁𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 − 𝑁𝑎× 𝑉𝑏 𝑁𝑎 × 𝑉𝑎 es ft en el punto final Et = ft - 1 Un valor positivo del Et significa que el punto final se detectó después del punto de equivalencia y un valor negativo indica que el punto final se detectó antes del punto de equivalencia. El error de titulación puede deberse al indicador, a la concentración de valorante y si son ácidos o bases débiles al valor de Ka o Kb. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 27 El uso de indicadores ácido - base está expuesto tanto a un error determinado como indeterminado. El primero tiene lugar cuando el intervalo de transición del indicador se aleja de las cercanías del pH correspondiente al punto de equivalencia. Este tipo de error se puede minimizar realizando una cuidadosa selección del indicador y la realización de una corrección mediante el empleo de un blanco. Las causas de error debidas al indicador pueden ser: • El indicador no cambia de color con el pH correspondiente al pH del punto de equivalencia, esto se agrava cuando el pH en el punto de equivalencia no ha sido correctamente calculado debido a otras reacciones que interfieren. Por ejemplo: se ha visto que el pH = 7,00 en el punto de equivalencia en la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte, pero en la práctica en el laboratorio las soluciones pueden tener CO2 disuelto de la atmósfera y la curva de titulación se distorsiona por el equilibrio CO2 - HCO3-, por lo tanto el punto de equivalencia ocurre a pH 4,50 - 5,00. Sabiendo esto uno puede elegir un indicador como el rojo de metilo (pH 4,40 - 6,20) en lugar del azul de bromotinol (pH 6,20 - 7,60). • Debido a que los indicadores son ácidos o bases, modifican la acidez de la solución en la cual se introducen. Si la reacción del indicador con respecto al componente de la solución es demasiado grande el pH puede cambiar apreciablemente. La cantidad de H+ gastados o liberados para que un indicador cambie de una forma a la otra ha de ser despreciable, en comparación con la cantidad de ácido o base que intervienen en la reacción principal de valoración para no cometer un error importante, es por eso que la concentración de indicador debe ser la necesaria para que sea visible el cambio de color en el punto final y no mayor. La limitada capacidad del ojo humano para distinguir con precisión el punto en que ocurre el cambio de color de un indicador es una fuente de error indeterminado. La magnitud de este error aleatorio dependerá del cambio de pH por mL de valorante en la región del punto de equivalencia, de la concentración de indicador en el medio de valoración y de la sensibilidad del ojo humano para los dos colores del indicador. La incertidumbrevisual de un observador medio es de 0,5 a 1 unidad de pH. Se puede disminuir el error si se compara el color de la solución con el color de una solución de referencia limitando el rango a 0,1 unidad de pH. Cálculo del error de titulación para la valoración de un ácido fuerte con base fuerte: En la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte antes del punto de equivalencia tenemos: HCl H+ + Cl- HONa HO¯ + Na+ CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 28 H+ + HO¯ H2O ecuación de la titulación Por BQ: [Na+] + [H+] = [Cl-] + [HO-] por BM: [Na+] = Cb en el punto final = 𝐶𝑏𝑓 = 𝑁𝑏 𝑉𝑏 𝑉𝑓 [Cl-] = Ca en el punto final = 𝐶𝑎𝑓 = 𝑁𝑎 𝑉𝑎 𝑉𝑓 reemplazando (2) en la ecuación de BQ: Cbf + [H+] = Caf + [HO-] dividiendo por Caf 𝐶𝑏𝑓 𝐶𝑎𝑓 + [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 = 𝐶𝑎𝑓 𝐶𝑎𝑓 + [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 y sabiendo que: 𝐶𝑏𝑓 𝐶𝑎𝑓 = 𝑁𝑏 𝑉𝑏 𝑉𝑓 𝑁𝑎 𝑉𝑎 𝑉𝑓 = 𝑓𝑡 reemplazando por ft, la expresión queda: 𝑓𝑡 + [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 = 1 + [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 Et por lo tanto, 𝐸𝑡 = 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−] − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 Para la titulación de una base fuerte con un ácido fuerte siguiendo el razonamiento anterior se llega a una expresión análoga: 𝐸𝑡 = 𝑓𝑡 − 1 = [𝐻+] − [𝑂𝐻−] 𝐶𝑏𝑓 Ejemplo: ¿Cuál es el indicador más adecuado para valorar 25,00 mL de HCl 0,01 N con NaOH 0,01 N? 1) anaranjado de metilo 3,1 - 4,4 pKa 3,5 2) azul de bromotimol 6,0 - 7,6 pKa 7,1 3) fenolftaleína 8,0 - 9,6 pKa 9,3 Calculando el Et% podemos elegir aquel indicador con el cual se cometa menor error. En este caso, se puede considerar que el pH correspondiente al punto final será aquel que coincida con el valor del pKa del indicador en cuestión. Asimismo, al estar titulando un ácido, se puede usar el pH correspondiente al límite superior del intervalo de pH de transición del (2) CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 29 indicador. Si tuviéramos la curva pH = f (ft) podríamos interpolar del gráfico los valores de ft para valores de pH = pKa del indicador. 𝐸𝑡% = (𝑓𝑡 − 1) × 100 = [𝑂𝐻−] − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 × 100 1) anaranjado de metilo 3,1 - 4,4 pKa 3,5 pKa = 3,5 pH en el punto final = 3,5 pH = 3,5 [H+] = 10–3,5 pOH = 14,0 - 3,5 = 10,5 [HO-] = 10-10,5 Por lo tanto: 𝐸𝑡% = 10−10,5 − 10−3,5 0,01 2⁄ × 100 = − 6 % Notas: a) al ser las concentraciones iniciales iguales, la Caf es la mitad de la concentración inicial original, en este caso la dilución del valorando al alcanzar el punto de equivalencia es al medio. b) para el cálculo de la Et se asume que la Caf es igual a la que se alcanza en el punto de equivalencia. c) el signo del error nos indica si este es en exceso o en defecto, pero lo realmente importante es la magnitud del error. d) se usa comúnmente el Et % debido a que el Et suele ser un valor muy pequeño. 2) azul de bromotimol 6,0 - 7,6 pKa 7,1 pKa = 7,1 pH en el punto final = 7,1 pH = 7,1 [H+] = 10,0 - 7,1 pOH =14,0 - 7,1 = 6,9 [HO-] = 10-6,9 En este caso el Et % es 9 x 10-4 que puede aproximarse 1 x 10-3 % para el azul de bromotimol. 3) fenolftaleína 8,0 – 9,6 pKa 9,3 pKa = 9,3 pH en el punto final = 9,3 pH = 9,3 [H+] = 10,0 - 9,3 pOH =14,0 - 9,3 = 4,7 [HO-] = 1 x 10-4,7 El Et % = + 0,4 % para la fenolftaleína El error debido al indicador debe ser menor que 0,5 %; por consiguiente, el anaranjado de metilo es totalmente inadecuado ya que se comete un Et % = - 6 %; pero sí pueden emplearse la fenolftaleína y el azul de bromotimol, siendo este último el más adecuado por producir un error de titulación muy pequeño. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 30 Cálculo del error de titulación para la valoración de un ácido débil con base fuerte: En la titulación de un ácido débil con base fuerte antes del punto de equivalencia tenemos: AH A- + H+ 𝐾𝑎 = [𝐴−] × [𝐻+] [𝐻𝐴] HONa HO- + Na+ H+ + HO- H2O ecuación de titulación BQ: [Na+] + [H+] = [HO-] + [A-] BM: [Na+] = Cbf Cbf + [H+] = [HO-] + [A-] dividiendo por Caf 𝐶𝑏𝑓 𝐶𝑎𝑓 + [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 = [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 + [𝐴−] 𝐶𝑎𝑓 (3) sabiendo que: 𝐶𝑏𝑓 𝐶𝑎𝑓 = 𝑓𝑡 reemplazando y reordenando (3): 𝑓𝑡 = [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 + [𝐴−] 𝐶𝑎𝑓 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−] 𝐶𝑎𝑓 − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 + [𝐴−] 𝐶𝑎𝑓 − 1 = [𝑂𝐻−]−[𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 + [𝐴−]−𝐶𝑎𝑓 𝐶𝑎𝑓 (4) por BM Caf = [A-] + [AH] [AH] = Caf - [A-] El grado de ionización () es la relación de concentración de la especie a la que se hace referencia respecto del total de las especies generadas por un electrolito poco disociado (Ver guía de problemas Capítulo 3). 𝛼0 = [𝐴−] 𝐶𝑎𝑓 = 𝐶𝑎𝑓 − [𝐴 −] 𝐶𝑎𝑓 reordenando (4): 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−] − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 − 𝐶𝑎𝑓 − [𝐴 −] 𝐶𝑎𝑓 0 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−]−[𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 − 𝛼0 (5) Sabiendo que para un ácido débil: AH A- + H+ 𝐾𝑎 = [𝐴−] × [𝐻+] [𝐻𝐴] [𝐻𝐴] = [𝐴−] × [𝐻+] 𝐾𝑎 BM Ca = [AH] + [A-] CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 31 𝛼0 = [𝐴−] 𝐶𝑎𝑓 = [𝐻𝐴] [𝐻𝐴]+[𝐴−] (6) reemplazando [AH] en (6), posteriormente simplificando y multiplicando numerador y denominador por Ka se obtiene la siguiente expresión para calcular 0: 𝛼0 = [𝐻+] [𝐾𝑎]+[𝐻+] (7) reemplazando (7) en (5) obtenemos la ecuación para el cálculo del Et para la titulación de un ácido débil: 𝐸𝑡 = 𝑓𝑡 − 1 = [𝑂𝐻−] − [𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 − [𝐻+] [𝐾𝑎] + [𝐻+] Para una base débil siguiendo el mismo razonamiento se llega a la siguiente expresión: 𝐸𝑡 = 𝑓𝑡 − 1 = [𝐻+] − [𝑂𝐻−] 𝐶𝑏𝑓 − [𝑂𝐻−] [𝐾𝑏] + [𝑂𝐻−] Ejemplo: Calcular el Et % que se cometerá si se usa como indicador rojo de metilo en la titulación de 25,00 mL de un ácido débil 0,150 N con NaOH 0,150 N si el punto final se observa cuando el pH de la solución es 5,00. Ka = 2 x 10-5 𝐸𝑡% = (𝑓𝑡 − 1) × 100 = ( [𝑂𝐻−]−[𝐻+] 𝐶𝑎𝑓 − [𝐻+] [𝐾𝑎]+[𝐻+] ) × 100 (8) El pH en el punto final = 5,00 [H+] = 1 x 10-5 pOH =14,0 - 5,0 = 9,0 [HO-] = 1 x 10-9 como NA = NB 𝐶𝐴𝑓 = 0,150 2 y remplazando los datos en (8) Et% = -33 % Un error de titulación tan grande (- 33,3 %) indica que el rojo de metilo es un indicador totalmente inadecuado para la titulación. Índice de agudeza: La inclinación de la curva de titulación se puede obtener mediante la pendiente de la misma, 𝑆 = ∆𝑝𝐻 ∆𝑓𝑡 Al observar las curvas de titulación vemos que la pendiente es mínima cuando se ha neutralizado el 50 % del valorando (ft = 0,5) y es máxima en el punto de equivalencia (ft = 1). El valor de la pendiente de la curva de valoración en el punto de equivalencia se lo conoce como índice de agudeza. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 32 = ( ∆𝑝𝐻 ∆𝑓𝑡 ) 𝑝.𝑒. Se lo utiliza para decidir la factibilidad de una valoración y elegir la metodología adecuada, respecto a la detección del punto final. Es útil para decidir si se usa un indicador interno o un potenciométro para decidir el punto final de la valoración o realizar una volumetría en medios no acuosos. Para ácidos o bases fuertes la expresión que se utiliza para calcularlo es: = 2 × 106 𝑁𝑎 × 𝑁𝑏 𝑁𝑎 + 𝑁𝑏 si Na = Nb = 0,1 = 1 x 105 log 5 si Na = Nb = 0,01 = 1 x 104 log 4 Cuando N disminuye 10 veces el disminuye en igual valor. El log se aproxima al salto de la curva, indica la cantidad de unidades de pH que tiene el salto. Para ácidos débiles la expresión es: = 0,2 √ 𝑁𝑎 × 𝑁𝑏 𝑁𝑎 + 𝑁𝑏 × 𝐾𝑎 𝐾𝑤 y para bases débiles es = 0,2 √ 𝑁𝑎 × 𝑁𝑏 𝑁𝑎 + 𝑁𝑏 × 𝐾𝑏 𝐾𝑤 Para un ácido débil cuya Ka es 1 x 10-5 y Na = Nb = 0,1 = 1400y log = 3,1 El índice de agudeza en las titulaciones corrientes debe tener un valor superior a 1000, especialmente al utilizar indicadores visuales para revelar el punto final. Cuando el índice de agudeza está entre 100 y 1000 no pueden utilizarse indicadores de pH, el punto final debe determinarse potenciométricamente. De esta manera, las medidas de pH se efectúan con una aproximación de ± 0,1 unidades de pH. Finalmente, cuando el índice de agudeza es menor a 100 se deben realizar titulaciones en medios no acuosos las cuales permiten exaltar la acidez o basicidad de la especie a valorar. Ejemplo: El verde de bromocresol tiene una zona de viraje de 5,2 a 6,8. Demuestre por cálculo si es el indicador adecuado para titular 50,00 mL de NaOH 0,100 N con HCl 0,100 N. Calcule el índice de agudeza y saque conclusiones. = 2 × 106 𝑁𝐴 × 𝑁𝐵 𝑁𝐴 + 𝑁𝐵 = 2 × 106 0,100 × 0,100 0,100 + 0,100 CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 33 = 105 log = 5 el salto de pH en esta titulación es de 5 unidades de pH. Como se trata de la titulación de una base fuerte con ácido fuerte el pH en el punto de equivalencia es 7,0. Por lo tanto: pH = 7,0 + 2,5 = 9,5 pH = 7,0 - 2,5 = 4,5 Este valor indica que en esta titulación el salto de pH está comprendido entre valores de pH 9,5 y 4,5. Por consiguiente, el verde de bromocresol puede emplearse, debido a que su zona de viraje está comprendida dentro de dicho rango. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 34 Titulación de ácidos polipróticos: Las curvas de valoración para soluciones de ácidos o bases polifuncionales tendrán múltiples puntos de inflexión con tal que los grupos ácidos o básicos difieran suficientemente en la fuerza, tales curvas pueden tener más de un punto final aprovechable. Cuando las sucesivas constantes difieren en un factor de 1000 o mayor no hay inconveniente en usar métodos aproximados en los cálculos. Por ejemplo, para un ácido AH2 donde Ka1/Ka2 103, se puede despreciar la influencia de la segunda disociación en la obtención de los puntos cercanos al primer punto de equivalencia, es decir [A2-] es lo suficientemente pequeño con respecto a [AH-] y [AH2] AH2 AH- + H+ (1) AH- A2- + H+ (2) Luego del primer punto de equivalencia el equilibrio (2) es predominante por lo tanto, la disociación básica de AH- puede despreciarse, es decir [H2A] es muy pequeño respecto a [AH-] o [A2-] AH- + H2O AH2 + HO- Al inicio de la valoración cuando no se ha agregado valorante el pH se calcula únicamente con el equilibrio correspondiente a la primera disociación: AH2 AH- + H+ 𝐾𝑎1 = [𝐴𝐻−]×[𝐻+] [𝐻2𝐴] Cuando se comienza a agregar solución valorante se obtiene la solución reguladora formada por HA/A-, el pH se calcula según: 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎1 + log 𝐶𝑠 𝐶𝑎 En el primer punto de equivalencia la especie predominante es el anfolito AH-, que se comporta como ácido y como base, por lo cual el pH estará dado por: [𝐻+] = √𝐾𝑎1 × 𝐾𝑎2 pH= ½ (pKa1 + pKa2) Luego del primer punto de equivalencia, se titula AH- según: AH- + HO- H2O + A2- se forma un buffer compuesto por HA-/A2-, para el cálculo de pH se usa Ka2: 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎2 + log 𝐶𝑠 𝐶𝑎 En el segundo punto de equivalencia se tiene una solución de Na2A de concentración C molar por lo tanto el pH estará dado por la hidrólisis básica de A2- (se aproxima considerando la primera etapa de hidrólisis). Los cálculos se realizan según: A2- + H2O AH- + HO- 𝐾𝑏1 = 𝐾𝑤 𝐾𝑎2 = [𝑂𝐻−]×[𝐴𝐻−] [𝐴2−] se calcula el pOH y luego el pH. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 35 Para que las etapas de la titulación de un ácido poliprótico sean claras, las sucesivas constantes deben diferir en un factor de por lo menos 104. El ácido maléico posee valores de pKa que difieren en 4,3 unidades, se lo puede titular en dos etapas claramente diferenciadas. El ácido oxálico cuyos valores de pKa difieren en tres unidades no presenta dos etapas bien delineadas en la curva de valoración. El H3PO4 es un ácido triprótico cuyos valores de pKa son 2,12; 7,21 y 12,32. H3PO4 H2PO4- + H+ Ka1 H2PO4- H PO42- + H+ Ka2 HPO42- PO43- + H+ Ka3 Figura 4. Curva de titulación del ácido fosfórico: 50,0 mL de ácido 0,1000 M titulados con una base fuerte 0,1000 M. A: inicio de la titulación; B: punto medio del primer punto de equivalencia; C, primer punto de equivalencia; D: punto medio del segundo punto de equivalencia; E: segundo punto de equivalencia; F: punto medio del tercer punto de equivalencia; G: tercer punto de equivalencia. En la figura 4 se observa la curva de titulación correspondiente al ácido fosfórico. En el primer punto de equivalencia, alrededor de pH 4,62 el valor de pH /V es muy grande, el rojo de metilo o verde de bromocresol son indicadores adecuados para esta etapa. En el segundo punto de equivalencia alrededor de pH 9,72 el valor de pH /V no es tan grande porque el H2PO4- es un ácido más débil que el H3PO4. Se puede utilizar fenolftaleína o timolftaleína para detectar este punto de equivalencia. El tercer ácido, el HPO42- es demasiado débil para poder titularlo, en CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 36 consecuencia el pH /V es muy pequeño, por lo cual dicha titulación no es factible. El valor de la constante de equilibrio para la reacción: HPO42- + HO- PO43- + H2O es sólo de 4,8 ×10 −13 1×10−14 = 48 En este caso hay dos saltos bien definidos y cualquiera de los dos indicadores es adecuado para ser usado con fines analíticos. El tercer protón del H3PO4 al disociarse tan poco, no produce un salto analíticamente aprovechable en la práctica. Titulación de bases polifuncionales: La deducción de una curva de titulación de una base polifuncional es similar a la de ácidos polifuncinales o polipróticos. Por ejemplo, la titulación de una solución de carbonato de sodio con ácido clorhídrico: CO32- + H2O OH- + HCO3- 𝐾𝑏1 = 𝐾𝑤 𝐾𝑎2 = [𝑂𝐻−]× [𝐻𝐶𝑂3 −] [𝐶𝑂3 2−] HCO3- + H2O OH- + H2CO3 𝐾𝑏2 = 𝐾𝑤 𝐾𝑎1 = [𝑂𝐻 −]× [𝐻2𝐶𝑂3] [𝐻𝐶𝑂3 −] Antes de comenzar la titulación se tiene una solución de una base débil, en este caso el carbonato, y los cálculos se realizan a partir de Kb1. Al comenzar el agregado de ácido clorhídrico se forma un buffer, cuyos constituyentes son bicarbonato/carbonato. Cuando se alcanza el primer punto de equivalencia, el bicarbonato es la especie predominante, esto ocurre alrededor de pH 8,40. Al continuar añadiendo ácido, se forma un nuevo buffer cuya composición es bicarbonato/ácido carbónico, en este momento la reacción está gobernada por Kb2. El segundo punto estequiométrico se obtiene alrededor de pH 3,90 y la solución está compuesta por ácido carbónico y cloruro de sodio y los cálculos se realizan a partir de Ka1. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 37 Titulación de aminoácidos: Los aminoácidos son moléculas biológicas importantes y son las unidades estructurales de péptidos y proteínas. Son sustancias anfóteras que contienen grupos ácidos y básicos en su molécula. El grupo ácido es un ácido carboxílico y el grupo básico es un grupo amino. En solución acuosa los aminoácidos sufren una transferencia interna del protón del grupo ácido al grupo amino, formándose un zwitterion: Debido a su carácter anfótero pueden ser titulados tanto con ácidos como con bases fuertes. Se puede considerar al ácido conjugado del zwitterion como un ácido diprótico con las siguientes etapas de ionización: Los valores de las constantes de acidez para los aminoácidos están tabulados correspondiendo el valor de Ka1 a laionización del ácido conjugado del zwitterion y el segundo valor (Ka2) a la ionización del zwitterion para dar la base conjugada del mismo. El pH de una solución de zwitterion se calcula de forma análoga a las soluciones de anfolitos, (ver guía de problemas). Los cálculos de pH en las curvas de titulación de aminoácidos se realizan de la misma forma que para ácidos o bases polipróticos. Al titular el zwitterion de un aminoácido con un ácido fuerte, se forma un buffer constituido por el zwitterion (la sal) y el ácido conjugado del zwitterion. Cuando se ha titulado el 50 % del mismo el pH = pKa1. Al alcanzar el primer punto de equivalencia la solución está constituida por el ácido conjugado del zwitterion y el pH se determina con Ka1. Cuando el zwitterion se titula con una base el buffer estará formado por el zwitterion (que ahora es el ácido) y la base conjugada del zwitterion (la sal), cuando la fracción titulada es la mitad, el pH = pKa2 y al alcanzar el punto de equivalencia la solución estará constituida por la base conjugada y el pH se determina a partir de Kb = Kw/Ka2. Los aminoácidos pueden contener más de un grupo carboxílico o grupo amino, en estos casos las curvas de titulación tendrán más de un salto si los valores de sus constantes ácidas o básicas difieren en un factor de 104. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 38 Preparación y contraste de valorantes ácidos y básicos: Solución de H2SO4 0,05 N: El H2SO4, el HCl, el HNO3, el ácido acético, son soluciones concentradas de los ácidos respectivos. Son líquidos, por lo que resulta más fácil medir un volumen que realizar una pesada. El H2SO4 concentrado es 96 % y 1 L pesa 1,84 kg. 𝑉 = 𝑉𝐻2𝑆𝑂4 𝑥 𝑁𝐻2𝑆𝑂4 𝑥 𝑚𝐸𝐻2𝑆𝑂4 𝑥 100 % 𝑥 𝛿 𝑉 = 500 𝑥 0,05 𝑥 (98,079 2000)⁄ 𝑥 100 96 𝑥 1,84 V = 0,69406 mL = 0,7 mL Se deberá medir 0,7 mL de ácido sulfúrico concentrado con pipeta graduada de 1 mL. En primer lugar, en un recipiente de 500 mL (probeta con tapa) se añade agua destilada hasta las tres cuartas partes de su capacidad, se agrega el ácido concentrado, se agita y cuando la temperatura de la solución esté cercana a la del ambiente, se completa a volumen con agua destilada. Se cierra el recipiente y se homogeniza muy bien la solución. Para el contraste de H2SO4 0,05 N el patón primario a emplear es el bórax. En el cálculo del mEbórax debemos tener en cuenta que en agua se comporta del siguiente modo: B4O7Na2.10H2O B4O72- + 2 Na+ + 10 H2O B4O72- + 7 H2O 2 BO3H3 + 2 B(OH)4- 2 B(OH)4- 2 BO3H3 + 2 OH- si se trabaja con una bureta de 25 mL, la cantidad de bórax a pesar será: p = 4/5 x Vbureta x NValorante x (mEbórax) p = 4/5 x 25 x 0,05 x (381,37/2000) = 0,19069 p = 0,1907 g Se pesa por diferencia, en balanza analítica, alrededor de 0,1907 g de bórax trasvasándolo cuantitativamente a un Erlenmeyer de 250 mL, se disuelve en aproximadamente en 40 - 60 mL de agua destilada, se agregan IV gotas del indicador, rojo de metilo, y se realiza el contraste. El indicador rojo de metilo cambia de color entre pH 6,2 y 4,4; de color anaranjado amarillento al rojo. Realizar la determinación por triplicado. Una vez alcanzado el punto final se lee el volumen gastado, se hacen las correcciones por temperatura y calibrado de material volumétrico, se calcula una normalidad por cada determinación, por último, se calcula el promedio y con el valor de normalidad correctamente expresado se rotula el frasco. En el rótulo debe indicarse qué sustancia es, la concentración y fecha de preparación. CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 39 Solución de NaOH 0,08 M: El NaOH sólido de calidad analítica se presenta en general en forma de lentejas de color blanco, las que se caracterizan por su alta higroscopicidad, cambiando continuamente su composición química por reaccionar con el CO2 del aire formando Na2CO3, este fenómeno llamado carbonatación constituye la principal fuente de impurezas tanto del sólido como de sus soluciones. En el caso particular del NaOH, y para eliminar el problema de la carbonatación, se prepara una solución altamente concentrada que servirá como solución madre para la posterior preparación de soluciones valorantes secundarias de NaOH. Esta solución se conoce con el nombre de solución Sörensen, y contiene un peso determinado de NaOH disuelto en igual peso de agua destilada, recientemente hervida y enfriada. El título de esta solución oscila entre 18 y 19 N, según la cantidad de Na2CO3, que se haya formado. Preparación y contraste de un litro de solución Sörensen: El primer paso consiste en hervir aproximadamente dos litros de agua destilada durante 20 minutos para eliminar todo el dióxido de carbono, posteriormente se la deja enfriar tapada (para que no se vuelva a carbonatar). La disolución del hidróxido de sodio es una reacción muy exotérmica por lo que es conveniente colocar el vaso de precipitados donde se lo disolverá en recipiente que permita la continua circulación de agua fría, así se acelera la disolución del hidróxido de sodio. Una vez disuelto, se trasvasa a una probeta y se lleva a volumen. Una vez homogeneizada la solución se la envasa en un recipiente de plástico con cierre hermético. Para realizar su contraste se debe preparar una dilución empleando pipeta y matraz aforado. El patrón primario a usar y el procedimiento a emplear son iguales a los que se detallan a continuación para contrastar la solución de hidróxido de sodio 0,08 N. La cantidad de hidróxido de sodio a pesar se calcula de la siguiente manera: p = 1000 mL x 18 N x mENaOH Para realizar el contraste se puede efectuar una dilución al centésimo o mayor: 𝑁𝑆ö𝑟𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛 × 𝑉𝑆ö𝑟𝑒𝑛𝑠𝑒𝑛 = 𝑁𝑑𝑖𝑙 × 𝑉𝑑𝑖𝑙 dil: se refiere a la dilución de solución Sörensen a preparar para el contraste ¿Cuántos mililitros de dicha dilución prepararía? El CO2 del aire, a medida que se va incorporando a la solución genera Na2CO3, el cual inmediatamente precipita y permanece sedimentado, por lo que la solución concentrada de NaOH permanece químicamente pura. Esta solución de aspecto blanquecino, densa y viscosa (su densidad es aproximadamente 1,5 g/mL), contiene sólo en solución NaOH y en el fondo del recipiente el sedimento de carbonato de sodio, para retirar una alícuota se debe pipetear la solución teniendo el cuidado de no remover el sedimento ni retirar solución del fondo del envase. Si esto ocurriera la CATEDRA DE QUIMICA ANALITICA - FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA 40 alícuota medida estará contaminada con Na2CO3. Esta es la única solución que no debe agitarse antes de extraer una porción del frasco. Preparación de 500 mL de solución 0,08 N de NaOH a partir de solución Sörensen 18,2 N: V x N = V’ x N’ 500 mL x 0,08 N= V’ x 18,2 N = 2,1978 = 2,2 mL La técnica de preparación consiste en añadir, en un recipiente de 500 mL de capacidad, agua destilada recientemente hervida y enfriada hasta las tres cuartas partes de su volumen y agregar 2,2 mL de solución Sörensen, medidos con pipeta graduada, completándose a volumen con agua cuando alcanzó la temperatura ambiente y se homogeniza la solución invirtiendo repetidas veces el recipiente. En este caso el patrón primario a usar es el biftalato de potasio: La cantidad a pesar de patrón primario para llevar a cabo el contraste de la solución preparada, trabajando con bureta de 25 mL será: p = 4/5 x Vbureta x NValorante x mEpp p = 4/5 x 25 x 0,08 x (204,229/1000) = 0,3268 g Se pesa exactamente alrededor de 0,3268 g de patrón primario por diferencia, se lo transvasa cuantitativamente a un Erlenmeyer de 250 mL. Se disuelve en 40 - 50 mL de agua destilada, se añaden III gotas de fenolftaleína y se titula hasta viraje del indicador. NOTA: El biftalato de potasio es una droga sólida anhidra, para mantenerla libre de humedad debeconservarse en desecador. Conservación de soluciones valorantes ácidas y/o básicas: - Las soluciones alcalinas deben conservarse en frascos de plásticos, porque al atacan la sílice y los silicatos insolubles componentes del vidrio, disminuyendo así la concentración de la solución alcalina. - Se debe evitar el contacto de las soluciones de bases fuerte con el aire para que no se carbonaten.
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