conductometría

Universidad de Santiago de Chile Facultad de Química y Biología Laboratorio de Análisis Instrumental

LABORATORIO N°3 “Conductometría” Conductometría”

Integrantes: -Karina Espinoza -Ruth Quezada Profesor: Dr. Federico Tasca Fecha de entrega: 12/11/2018

INTRODUCCIÓN

La conductimetría es una técnica instrumental que tiene como objetivo determinar la conductividad de las disoluciones de las sustancias llamadas electrolitos, las cuales se caracterizan por ser conductoras de la electricidad y por presentarse en las mismas el fenómeno de la ionización. La medición directa de la conductividad es potencialmente un procedimiento muy sensible para la medición de concentraciones iónicas, pero debe ser utilizada con cautela,  pues cualquier especie con carga eléctrica presente en una solución contribuirá para la conductancia total. Cuando se introducen los electrodos, entre los que se aplica una diferencia de potencial, en el interior de una solución electrolítica se produce una migración de los cationes hacia el electrodo negativo (cátodo) y de los aniones hacia el electrodo  positivo (ánodo) (1). Un método práctico muy importante es la titulación conductimétrica, es decir, la determinación de la concentración de un electrolito en solución sea este fuerte o débil, por medio de la medición de su conductividad durante la titulación (1). Para establecer un punto final conductimétrico, se necesitan suficientes mediciones experimentales para definir la curva de titulación. Luego de corregir el cambio de volumen, se grafican los datos de conductancia en función del volumen de reactivo titulante. Posteriormente se extrapolan las dos porciones lineales y se obtiene el punto de equivalencia en la intersección de ambas. Debido a la hidrólisis, disociación, o solubilidad del producto de reacción, los valores de la conductividad medida en las cercanías del punto de equivalencia no tienen sentido en la construcción del gráfico, dado que la curva será redondeada en una o ambas ramas (2). Un tipo de titulación conductímetrica ampliamente utilizada es la de neutralización, las cuales se adaptan particularmente bien al punto final conductimétrico, debido a la conductancia muy alta de los iones H3O+ y OH- comparada con la conductancia de los productos de reacción. Para la valoración de una mezcla de ácido fuerte y ácido débil por neutralización con una  base fuerte, obtendremos 2 puntos de equivalencia, el primero para el ácido fuerte, y el segundo para el débil, ya que primero se observa un fuerte disminución de la conductancia debido a la neutralización del ácido fuerte, después hay un suave aumento hasta la

neutralización del ácido débil, y finalmente un fuerte aumento de la conductancia, debido a la presencia de exceso de iones OH- en el medio.(3) En las disoluciones electrolíticas, la corriente eléctrica es transportada por los iones de la disolución. En ausencia de un campo eléctrico los iones, que constituyen un conductor iónico, se encuentran en un constante movimiento al azar. Este movimiento es debido a la acción de fuerzas térmicas y de convección. Cuando los iones son sometidos a la acción de un campo eléctrico (por la aplicación de una diferencia de potencial) se mueven, en un sentido u otro, de acuerdo con su carga, fenómeno que se conoce como migración iónica. En estas condiciones, se puede considerar a la disolución como un conductor electrónico homogéneo que sigue la Ley de Ohm: =

 

Esta ley establece que la corriente (i) que fluye en un conductor es directamente  proporcional a la fuerza electromotriz aplicada (E), e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor. En cambio, la conductancia de una solución “L” es la inversa de la resistencia eléctrica y tiene unidades de Ω-1ó siemens (S), es decir: (3,4) =

1 

El sistema para la medición de la conductancia está compuesto de una célula de conductividad, de un conductímetro y cuando se requiera también de una sonda de T°. El conductímetro mide la conductividad eléctrica de los iones de una disolución en unidades de Siemens (S). Para ello aplica un campo eléctrico entre dos electrodos de la célula y mide la resistencia eléctrica de la disolución Esta técnica tiene

(3)

.

algunas limitaciones. En particular, se hace menos precisa y

menos satisfactoria al aumentar la concentración total de electrolitos. El cambio en la conductancia

debido

al

agregado

del

reactivo

titulante

puede

ser

enmascarado

considerablemente por altas concentraciones de electrolitos en la solución a titular; en estas circunstancias el método no se puede usar. Otro factor que influye también en las técnicas conductimétricas es la temperatura, en metales, la conductividad disminuye al aumentar la

temperatura, mientras en semiconductores, la conductividad se incrementa con el aumento de temperatura. En solución, el comportamiento es similar al de los metales; al aumentar la temperatura, aumenta la conductividad. La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones  positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico, aumentando la conductividad a medida que se eleva la temperatura. En la mayoría de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor será la conductividad. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductimétricas y tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo: para estimar la pureza del agua; también en la electrólisis, en los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sales de distintas soluciones durante la evaporación del agua, en el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad, para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrolitos en soluciones por titulación (1,5) .

OBJETIVOS 

Determinar conductométricamente el punto final en la valoración de una mezcla de HCl y HAc, utilizando como valorante NaOH, variando la cantidad de alícuotas añadidas de éste último.



Determinar la concentración de una muestra problema.

MATERIALES Y REACTIVOS



Vaso de precipitado de 150 ml.



Agitador magnético.



Barra magnética.



Conductímetro HI 2315, Hanna Instruments.



Solución problema HCl (10-3 M) y CH3COOH (10-3 M).



Valorante NaOH (0,1 M).



Bureta.



Pipeta volumétrica 10 mL.



Agua milli Q.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Se añadieron 10 mL de solución de HCl + HAc a un vaso de 150 mL previamente lavado y rotulado. Luego, se agregó 90 mL de agua milli Q, procediendo a anotar el volumen final contenido en el vaso. 2. Se instaló el vaso sobre un agitador magnético. 3. Se colocó la celda de conductividad dentro del vaso, fijándose que quede totalmente sumergida. En seguida, se ajustó la velocidad de agitación para evitar que ocurran turbulencias. 4. Se procedió a encender el equipo

previamente calibrado. Se esperó su

estabilización y posteriormente se seleccionó

una escala apropiada para la

determinación de los valores de conductancia. 5. Con los datos obtenidos se procedió a tabular volumen vs conductancia corregida, valorando la solución contenida en el vaso con NaOH, añadiendo alícuotas de 0,5 mL hasta completar 20 –  21 mL agregados. 6. Se procedió a retirar la celda y lavar los electrodos. 7. Se realizaron los pasos 1 –  4 nuevamente.

8. Con los datos obtenidos se procedió a tabular volumen vs conductancia corregida, valorando la solución contenida en el vaso con NaOH, añadiendo alícuotas de 0,1 y 0,5 mL hasta completar 20 –  21 mL agregados. 9. Se procedió a retirar la celda y a lavar los electrodos y los instrumentos que utilizamos en el práctico. 10. Finalmente las curvas de titulación conductimétricas fueron realizadas mediante el  programa Origin 8.

RESULTADOS

En la tabla N°1 y N°2se presentan los valores obtenidos de la conductometría de HCl y HAc de la muestra problema; en las tablas se observa la conductancia obtenida expresada en uS, las diluciones y las conductancias corregidaspor cada volumen de NaOH añadidos a la disolución presente en el vaso. El volumen corregido en la valoración conductimétrica se calculó utilizando la siguiente fórmula:

+  Donde “V”  corresponde al volumen inicial (volumen de la muestra problema+ volumen de agua) y “v” corresponde al volumen de la solución de NaOH adicionada. Por ejemplo, para un volumen inicial de: 10 mL de muestra problema + 90 mL de agua y un volumen valorante de 1,5 mL se tiene: 100 mL + 1,5 mL 100 mL

= 1.005 mL

Por lo tanto, el volumen corregido correspondea1,005 mL.Luego se determinó la conductancia corregida a través de la siguiente relación: Conductancia corregida = mL volumen corregido * conductancia leída

Por ejemplo, si tomásemos el volumen de 1,5 mLutilizado en el ejemplo anterior, se tiene:

Conductancia corregida= 1,015 * 3250 µS

Tabla N°1. Datos de conductancia, factor de dilución y conductancia corregida obtenidos  por cada adición de 0,5 mL de valorante NaOH a la solución contenida en el vaso de  precipitado.

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia (µS)

Dilución (mL)

Conductancia corregida (µS)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5

3720 3570 3430 3250 3100 2960 2780 2640 2470 2280 2150 1970 1820 1660 1530 1390 1280 1220

1 1,005 1,01 1,015 1,02 1,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 1,055 1,06 1,065 1,07 1,075 1,08 1,085

3720 3587,85 3464,3 3298,75 3162 3034 2863,4 2732,4 2568,8 2382,6 2257,5 2078,35 1929,2 1767,9 1637,1 1494,25 1382,4 1323,7

9

1200

1,09

1308

9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5

1200 1220 1240 1270 1300 1330 1360 1400 1420

1,095 1,1 1,105 1,11 1,115 1,12 1,125 1,13 1,135

1314 1342 1370,2 1409,7 1449,5 1489,6 1530 1582 1611,7

14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5

1460 1490 1520 1550 1590 1610 1680 1700 1710 1740

1,14 1,145 1,15 1,155 1,16 1,165 1,17 1,175 1,18 1,185

1664,4 1706,05 1748 1790,25 1844,4 1875,65 1965,6 1997,5 2017,8 2061,9

19

1770

1,19

2106,3

19,5 20 20,5 21 21,5 22 22,5 23 23,5 24 24,5 25 25,5 26 26,5 27 27,5 28 28,5

1820 1910 2010 2100 2200 2280 2370 2470 2550 2660 2740 2830 2930 3010 3100 3180 3270 3320 3430

1,195 1,2 1,205 1,21 1,215 1,22 1,225 1,23 1,235 1,24 1,245 1,25 1,255 1,26 1,265 1,27 1,275 1,28 1,285

2174,9 2292 2422,05 2541 2673 2781,6 2903,25 3038,1 3149,25 3298,4 3411,3 3537,5 3677,15 3792,6 3921,5 4038,6 4169,25 4249,6 4407,55

Tabla N°2. Datos de conductancia, factor de dilución y conductancia corregida obtenidos  por cada adición de 0,1 mL de valorante NaOH a la solución contenida en el vaso de  precipitado.

Volumen de NaOH Conductancia (mL)1 (µS) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 2,5 3,5 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 1

3810 3780 3750 3700 3680 3650 3600 3550 3530 3480 3450 3420 3400 3350 3330 3320 2950 2570 2260 2210 2180 2140 2110 2080 2030 1999 1976 1928 1910 1894 1843 1807 1777

Dilución (mL)

Conductancia corregida (µS)

1 1,001 1,002 1,003 1,004 1,005 1,006 1,007 1,008 1,009 1,01 1,011 1,012 1,013 1,014 1,015 1,025 1,035 1,045 1,046 1,047 1,048 1,049 1,05 1,051 1,052 1,053 1,054 1,055 1,056 1,057 1,058 1,059

3810 3783,78 3757,5 3711,1 3694,72 3668,25 3621,6 3574,85 3558,24 3511,32 3484,5 3457,62 3440,8 3393,55 3376,62 3369,8 3023,75 2659,95 2361,7 2311,66 2282,46 2242,72 2213,39 2184 2133,53 2102,948 2080,728 2032,112 2015,05 2000,064 1948,051 1911,806 1881,843

Para obtener el segundo punto de equivalencia se fue adicionando a intervalos volúmenes entre 0,5 mL y 1,0 mL, respectivamente.

6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 7,5 8 8,5 8,6 8,7 8,8

1767 1715 1691 1654 1618 1592 1571 1556 1525 1486 1450 1331 1239 1196 1192 1190 1188

1,06 1,061 1,062 1,063 1,064 1,065 1,066 1,067 1,068 1,069 1,07 1,075 1,08 1,085 1,086 1,087 1,088

1873,02 1819,615 1795,842 1758,202 1721,552 1695,48 1674,686 1660,252 1628,7 1588,534 1551,5 1430,825 1338,12 1297,66 1294,512 1293,53 1292,544

8,9

1189

1,089

1294,821

9 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 14,6 14,7 14,8 14,9 15 16 17 17,1 17,2 17,3

1188 1190 1191 1195 1200 1203 1253 1284 1314 1344 1380 1412 1441 1480 1513 1519 1527 1532 1540 1547 1608 1663 1682 1683 1691

1,09 1,091 1,092 1,093 1,094 1,095 1,105 1,11 1,115 1,12 1,125 1,13 1,135 1,14 1,145 1,146 1,147 1,148 1,149 1,15 1,16 1,17 1,171 1,172 1,173

1294,92 1298,29 1300,572 1306,135 1312,8 1317,285 1384,565 1425,24 1465,11 1505,28 1552,5 1595,56 1635,535 1687,2 1732,385 1740,774 1751,469 1758,736 1769,46 1779,05 1865,28 1945,71 1969,622 1972,476 1983,543

17,4 17,5 17,6 17,7 17,8 17,9 18 18,1 18,2 18,3 18,4 18,5 18,6 18,7

1693 1703 1706 1710 1714 1718 1727 1736 1745 1751 1760 1762 1775 1778

1,174 1,175 1,176 1,177 1,178 1,179 1,18 1,181 1,182 1,183 1,184 1,185 1,186 1,187

1987,582 2001,025 2006,256 2012,67 2019,092 2025,522 2037,86 2050,216 2062,59 2071,433 2083,84 2087,97 2105,15 2110,486

18,8

1782

1,188

2117,016

18,9 19 19,1 19,2 20 21 22

1799 1805 1804 1819 1915 2070 2250

1,189 1,19 1,191 1,192 1,2 1,21 1,22

2139,011 2147,95 2148,564 2168,248 2298 2504,7 2745

En la figuras N°1 y N°2 se representanla conductancias corregidas vs volumen de  NaOH 0.1 M (alícuotas de 0,1 y 0,5 mL, respectivamente) mediante curvas de titulación conductimétricas, obteniéndose en ambas curvas dos puntos de equivalencia (ver tabla  N°3).

Figura N°1: Curva de titulación conductimétrica corregida de una mezcla de HCl (10 -3 M) HAc (10-3 M) adicionando 0,5 mL de valorante NaOH.

Figura N°2: Curva de titulación conductimétrica de una mezcla de HCl (10-3 M) y HAc (10 -3 M) adicionando 0,1 mL de valorante NaOH.

Tabla N°3: Puntos de equivalencia obtenidos de las curvas de titulación conductimétricas, conductancia corregida vs volumenNaOH.

Valoración con NaOH Puntos de neutralización 0,5 mL

0,1 mL

9,0

8,9

19,0

18,8

Primer punto de equivalencia Segundo punto de equivalencia

A partir de las curvas de titulación obtenidas en la figura N°1 y 2 se extraen los volúmenes utilizados para neutralizar el protón proveniente del ácido clorhídrico (ácido

fuerte) correspondiente al primer punto de equivalencia y del ácido acético (ácido débil) correspondiente al segundo punto de equivalencia.Por lo tanto, para determinar la concentración de la muestra se tomará como ejemplo la valoración con alícuotas de 0,5 mL de NaOH. 

 Determinación de la concentración de ácido clorhídrico: Volumen de NaOH utilizado= 9,0mL. [NaOH]=0,1 M HCl + NaOH

NaCl + H20

 N º de mmoles de HCl = N º de mmoles de NaOH  N º de mmoles de HCl=0,9mmoles [HCL] = 0,9 mmoles /10 mL =0,09 M



 Determinación de la concentración de ácido acético: Volumen de NaOH utilizado:

19 mL –  9,0 mL= 10 mL

[NaOH]=0, 1 M

CH3COOH + NaOH

CH3COONa + H20

 N º de mmoles de CH3COOH = N º de mmoles de NaOH  N º de mmoles de CH3COOH =1,0 mmoles [CH3COOH] = 1,0 mmoles /10 mL =0,10 M

Tabla N°4.  Concentraciones determinadas para el ácido fuerte y débil de la mezcla  problema.

Valoración con NaOH Mezcla ácida

0,5 mL

0,1 mL

ácido fuerte (HCl)

0,09

0,089

ácido débil (CH3COOH)

0,10

0,188

DISCUSIÓN

Al analizar las curvas de titulación conductimétrica obtenidas de una mezcla de HCl (10-3 M) yHAc (10 -3  M) usando dos alícuotas de 0,5 y 0,1 mL del reactivo valorante  NaOH, se obtuvieron dos puntos de equivalencia, en donde el primer punto corresponde a la neutralización del ácido fuerte, mientras que el segundo punto corresponde a la neutralización del ácido débil (ver figuras N°1 y 2). Al comienzo de la titulación se observa una alta conductividad debido a la disociación total que experimenta el ácido clorhídrico (ácido fuerte), por consiguiente, una alta concentración de hidronios (H3O+)en la solución. En las figuras N°1 y 2 se visualiza también un intervalo en que la linealidad de la curva va disminuyendo, ya que los H3O+ altamente conductores (λ+ = 349.82) del ácido clorhídrico van siendo consumidos por los OH- (λ - = 198) para formar agua. A su vez, éstos H3O+son paulatinamente sustituidos por los iones Na+, los cuales tienen una menor conductancia iónica (λ+ = 50,11) en comparación con los iones hidronios. De esta manera, en el primer punto de equivalencia la conductividad alcanza su valor mínimo debido a la  presencia de NaCl. Una vez que los iones H3O+  del ácido clorhídrico son consumidos totalmente, empieza a disociarse el ácido acético generando iones acetato que junto a la adición de los cationes de Na+generan un aumento abrupto en la pendiente de la curva traducido en un ascenso de la conductancia en la solución. A medida que se sigue agregando NaOH a la solución, la concentración de iones OH-  empieza a aumentar, así como también la de los iones acetato que tiende a estabilizarse, obteniéndose el segundo

 punto de equivalencia. Después del segundo punto de equivalencia, la conductancia continúa aumentando al seguir adicionando el reactivo valorante debido al exceso de iones OH-.

(6,7,8)

En la tabla N°4 se presentan las concentraciones de los respectivos ácidos contenidos en la mezcla problema, el ácido clorhídrico arrojó una concentración de 0,09 M empleando alícuotas de 0,5 mL de reactivo valorante, concentración similar a 0,089 M, que fue obtenida empleando alícuotas de 0,1 mLNaOH de 0,1 M. Por su parte, las concentraciones de ácido acético oscilaron entre 0,10 M y 0,18 M, respectivamente. Este comportamiento se debe a que el ácido acético necesita una cantidad mayor de iones hidronios para ser neutralizados. Sin embargo, a pesar que la literatura afirma que la concentración del agente valorante en este caso 0,1 M de NaOH debe ser al menos 10 veces más concentrada que la solución a titular  (8)  fue posible obtener dos intersecciones que representaron los puntos de equivalencia experimentales, ya que previamente se realizó una corrección en la conductividad leída en función del volumen del titulante adicionado, corrección que sugiere que la conductividad es una función lineal de la dilución. Esta corrección se lleva a cabo debido a que en las titulaciones conductimétricas se suele  producir un aumento constante del volumen del valorante a la solución que puede ocasionar un descenso en la conductividad (por efecto de la dilución) (9).

CONCLUSIÓN

Se cumplieron los objetivos del práctico. Se logró aprender los fundamentos, así como también los componentes de un sistema de conductometría y el funcionamiento de un conductímetro, el cual nos permitió leer las diferentes conductividades en µS (escala recomendada por el docente) para la valoración de una muestra problema, la cual fue valorada dos veces. A través de estas lecturas y sus respectivas correcciones se pudieron realizar con exactitud los gráficos correspondientes, obteniendo los respectivos puntos de equivalencia de las titulaciones. Para determinar los puntos de equivalencia en la

valoración, se utilizó como valorante NaOH 0,1 M (en dos titulaciones conductimétricas añadiendo alícuotas de 0,1 y 0,5 mL respectivamente), siendo los puntos de equivalencia  para el HCl a los 9,0 y 8,9 mL y para el CH3COOH a los 19,0 y 18,8 mL respectivamente. A partir de estos volúmenes se calculó la concentración de los ácidos presentes en la muestra problema para cada titulación, observados en la tabla N°4, siendo para el HCl de 0,09 y 0,089 M y para el CH3COOH de 0,10 y 0,188 respectivamente.

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