CURVAS DE TITULACIÓN ÁCIDO-BASE Y DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE ACEIDEZ DE UN ÁCIDO David Colorado 1012002! La"ra Mar#a Viva$ 102200%0 Universidad Icesi Facultad de Ciencias Naturales Laboratorio de Análisis Químico Santiago de Cali, Colombia Marzo de !"## obituar$"%&'otmail(com, lalam#")&'otmail(com R&$"'&() en la *ráctica de curvas de titulaci+n ácidobase se a*rendi+ como realizarlas $ cuáles son sus utilidades dentro de la -uímica analítica así como tambi.n *oder com*arar las di/erentes curvas -ue *resentan un ácido d.bil /rente las -ue *resenta un ácido /uerte( Se titul+ ácido clor'ídrico "(#M con 'idr+0ido de sodio "(#M $ gracias a la curva de titulaci+n se com*rob+ la concentraci+n del ácido( 1ambi.n se titul+ ácido ac.tico "(#M con 'idr+0ido de sodio "(#M $ gracias a la curva de valoraci+n se determin+ la concentraci+n del ácido $ se encontr+ la −5 1.99 × 10 constante de disociaci+n del ácido 1.99× -ue com*arado con el valor registrado en la
literatura *resenta un error del #"(223(
1* I(+rod",,i() Las valoraciones se *ueden re*resentar *or medi medioo de curva curvass de valo valorac raci+ i+nn don donde de la vari variab ablle inde inde*e *end ndie ient ntee es el vol volumen umen a4adido de titulante $ la variable de*endiente es la concentraci+n del analito en el mome moment ntoo dado dado,, si se trat trataa de una una valoraci+n ácidobase la variable de*endiente es el *5 $ la curva re/le6a la /uerza del ácido $ la base corres*ondientes, si *or e6em*lo se trata de un ácido /uerte la curva será casi lisa e0ce*to en los *untos cercanos al *unto de e-uivalencia -ue se torna mu$ inclinada( Si se trata de ácido d.bil con una una base /uer uerte la curva rva es irregular cerca al *unto de e-uivalencia $ el *5 no cambia tan drástico al adicionar el titulante(
7stas curvas son mu$ 8tiles *ues a$udan a determinar -ue tan /actible es la titulaci+n $ a$uda tambi.n a escoger un buen indicador(
2* Da+o$! ,.l,"lo$ / r&$"l+ado$ Curva Curva de valora valoració ción n ácido ácido fuerte fuerte - base base fuerte: se titula ácido clor'ídrico "(# M con
'idr+0ido de sodio "(#M estandarizado( Se toman datos de *5 con la a$uda de un *5metro(
Tala 1* Da+o$ d& d& la +i+"la,i( d& .,ido 3"&r+& ,o( a$& 3"&r+& Vol*l* NaO Vo N aO Vol* NaO 4'L5 4'L5 " #(" %(2 #( 9: "(2 #(" 9(" #( : #(" #(# 9(2 !(## " #(2 #(# (" !( )" : !(" #(# (2 :( "# ; !(2 #(! 10.0 10.9 # 0 :(" #(! #" ( 2 ##(: ) ; :(2 #(! ##(" ##(2 ; )(" #(: ##(2 ##(; : : )(2 #(: #! ( " ##(% % 2(" #() #! ( 2 ##(9 : % 2(2 #() #: ( " ##( 9 # ;(" #(2 #: ( 2 ##( ; ; ;(2 #(; #) ( " #!(" : " %(" #(% #
Curva de titulación 14 12
10.9 10 8
pH
6 4 2 0 0.00
5 .00
10.00
15.00
Vol. NaOH (titulante) mL
6r.3i, 6r.3 i,oo 1* C"rv C"rvaa d& +i+" +i+"la la,i ,i( ( v$ Vol"'& l"'&( ( d& Na NaO O 4.,i 4.,ido do 3"&r+ 3"&r+&* &* Ba$& Ba$& 3"&r+&5 E,"a,i( 15 C HCl V HCl =C NaOH V NaOH
?onde
V NaOH
es el vol volumen de bas base
gastado *ara llegar al *unto de e-uivalencia( C HCl =
0.1 M 0.1 M × 10 mL NaOH 10 mL HCl
0.1 M =0.1 M
@ara @ara real realiizar zar la grá/ grá/ic icaa de la *ri *rimera mera derivad vada es necesa cesarrio determi rminar el ∆ pH ∆ V
Tala 2* Da+o$ d& lo$ ,a'io$ d& / vol"'&( d"ra(+& la +i+"la,i(
∆ pH
∆V
"("% "(#% "(!: "(:%
!("" !("" !("" !(""
8.97
2.00
"(9 "(!#
!("" !(""
delta pH/delta V
Vol* NaO 4'L5
∆ pH ∆ V
"(":2 "("92 "(##2 "(#92
!("" )("" ;("" 9(""
Curva de titulación 5
4 3
4.49
4.485
10.00
"())2 "(#"2
#!("" #)(""
2
1
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Vol. NaO H (titulante (titulante ) mL mL
6r.3i,o 2* C"rva d& +i+"la,i( d& lo$ ,a'io$ d& / vol"'&( v&r$"$ &l vol"'&( Curva de valoración de ácido débil – base fuerte: se titula ácido ac.tico "(# M con
:(2"
'idr+0ido de sodio "(#M estandarizado(
)(""
Tala %* Da+o$ d& d& la +i+"la,i( d& .,ido d7il ,o( a$& 3"&r+& Vol*l* NaO Vo N aO Vol* NaO 4'L5 4'L5 "("" !(9 %(2" 2(#: 2 "(2" :() 9("" 2(!; ! #("" :(% 9(2" 2()) " #(2" :(9 ("" 2(;9 !("" )(" (2" ;(!! ; !(2" )(# 10.00 10.3 % 4 :("" )(! #"(2" ##(! % ;
)(2" 2("" 2(2" ;("" ;(2" %(""
)(: ; )() % )(2 2 )(; : ),% ) )(9 # )( ! 2(" !
##("" ##(2" #!("" #!(2" #:("" #:(2" #)(""
##(: % ##() ##(2 ; ##(; ) ##(% : ##(9 # ##( "
"(:)
Curva de titulación
"()2
15
10.34
10
pH
5.08
!(" " !(" "
"(#%"
;(""
"(!!2
9(""
2.0
2.540
10.00
"(;#"
#! ( " "
"(#%"
#) ( " "
0 5
#(!!
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Vol. NOH (titulande)mL
6r.3i,o %* C"rva d& +i+"la,i( vol"'&( d& NaO v&r$"$ ! .,ido d7il-a$& 3"&r+&*
"(:)
!(" " !(" "
Curva de titulación 3
delta pH/delta V
C CH 3COOH 3 COOH =
0.1 M 0.1 M × 10 mL 0.1 M = 0.1 M 10 mL
Al igual -ue en el caso anterior es necesario determinar
∆ pH ∆ V
*ara este caso=
1 0 0
@ara determinar la concentraci+n del ácido ac.tico se utiliza la ecuaci+n #= C CH 3COOH 3 COOH V CH 3 CH 3 COOH = C NaOH V NaOH
2.54
2
5
10
15
Vol.NaOH(titulante)mL
6r.3i, 6r.3 i,oo * C"rv C"rvaa d& +i+" +i+"la la,i ,i( ( d& lo$ lo$ ,a' ,a'iio$ d& / vol vol"'& "'&( v&r$ v&r$" "$ &l vol"'&(* Á,ido d7il- a$& 3"&r+&* @ara 'allar la constante de acidez del ácido ac.tico, se tiene en cuenta su reacci+n de disociaci+n=
+¿ ¿ −¿ + H
¿
CH 3 COOH OOH ↔ CH 3 COO
Tala * Da+o$ d& lo$ ,a'io$ d& / vol"'&( d"ra(+& la +i+"la,i( .,ido d7ila$& 3"&r+& ∆p ∆ V ∆ pH Vol* NaO 4'L5 ∆ V
#(!# "()#
!(" " !(" "
"(;"2
!( ""
"(!"2
)( ""
?onde la constante de acidez se obtendría de la siguiente manera=
CH
E=
¿ −¿ +¿
V exp −V teo V teo
× 100
¿
H
−5
¿
E=
CH [¿ ¿ 3 COOH ]
¿ ¿ Ka=¿
1.99 × 10
−5
−1.80 × 10 −5
1.80 × 10
× 100
¿ 10.55
7ntonces 5B D C5:C<<, la e0*resi+n se reduciría a la siguiente=
+ ¿¿
%* A(.li$i$ d& R&$"l+ado$ Cuando se realiza una valoraci+n + titulaci+n acidobase acidobase se busca neutralizar neutralizar un acido con una base >o una base con un acidoH *ara llegar al *unto de e-uivalencia en donde se 'an combinado cantidades este-uiom.tricamente e-uivalentes de acido $ base#(
H
¿ ¿2 ¿ ¿ K a= ¿ 7l *5 de la disoluci+n es !(92, $ se sabe -ue
+ ¿¿
7n donde la neutralizaci+n esta dada *or la reacci+n=
H
¿ ¿ 10 ¿ ¿
−¿ ↔ H 2 O + ¿ + OH ¿ ¿
H
7ntonces,
(Figura No 1) K a=
( 10
)
−2.85 2
0.1
=1.99 × 10
−5
7l valor ace*tado como constante de acidez *ara el ácido ac.tico a !2EC es de= −5
1.80 × 10
>er >er libro de sGoo*H
1enien niendo do en cuent cuentaa el valor valor ante anterio riorr se determinará el *orcenta6e de error=
Alca Alcanz nzan ando do,, idea idealm lmen ente te,, un *5 de % + neutro( neutro( Considerando, Considerando, seg8n la teoría acido base de ronsted $ LoJr$), -ue la /ormaci+n de iones 5B se da gracias a los ácidos $ la /ormaci+n de los iones <5 se da gracias a las bases( Keneralmente el /in de este *rocedimiento es el de cono onocer la concen centraci aci+n de la sustancia -ue esta siendo titulada( @ara llevar a cabo una titulaci+n acidobase /recuentemente se usa el siguiente monta6e=
*otenci+metro o *5 metro *ara controlar e inter*retar los cambios de *5 en la soluci+n( Las titulaciones acidobase se usan tanto en la industria como en la investigaci+n investigaci+n *or-ue a$udan a determinar di/erentes cara caract cter eríísti sticas cas $ com* com*or orttamie amient ntos os de diversas soluciones, sean básicas o acidas las las carac caracte terí ríst stic icas as dete determi rminad nadas, as, *or su utilidad, *ueden ser= la concentraci+n de la sustancia -ue se titula >*uede ser el acido o la baseH, encontrar el *unto de e-uivalencia entr entree los los com* com*ue uest stos os,, la elec elecci ci+n +n de un indicador visual adecuado, $ *ara 'allar la Ka de un acido + la Kb de una base#( (onde Ka: constante de acide!" # Kb: constante de basicidad) (Figura No 2)
7n donde la sustancia titulante se encuentra en el interior de la bureta $ la sustancia titulada descansa en el erlenme$er, la cual es /recuent /recuenteme emente nte mezcla mezclada da con una unass *oc *ocas as ! gota gotass de indi indica cado dorr visu visual al ( Se usa un magneto en el interior del erlenme$er *ara a$udar a agitar la mezcla $ -ue la interacci+n entre el acido $ la base sea uni/orme( Como se *uede *rever un indicador visual se utiliza utiliza con la /inalidad de -ue indi-ue indi-ue con un cambio de color en el instante, instante, durante la titulaci+n, en -ue se llega al *unto /inal del *rocedimiento es decir, el *unto más cerca cercano no al *un *unto to de e-u e-uiv ival alen enci cia( a( 7n las las titulaciones acidobase se usan indicadores -ue *resentan el vira6e o cambio de color seg8n el *5 del medio en -ue se encuentren, gracias a -ue estos suelen ser ácidos o bases d.biles -ue *resentan un color al disociarse $ un color distinto mientras se conserve en su /orma original original: tambi.n se *ueden 'allar indi indica cado dore ress -ue -ue *res *resen enta tann su vira vira6e 6e de acuerdo a sustancias es*ecí/icas en el medio( 1ambi.n se *ude recurrir al uso de instru strum ment entos de labo aborato atorio rio como omo el
?urante la *ractica se llevaron a cabo dos ti*os de titulaci+n acidobase en la *rimera se realizo una titulaci+n acido /uerte O base /uerte, en donde el Na<5 /ue la base /uerte $ sustancia titulante, $ el 5Cl /ue el acido /uerte rte $ la sust ustancia cia titulada con la /enol /enol/t /tal aleí eína na como como indi indica cador dor visua visuall -ue *osee un vira6e de incoloro a rosado entre un *5 de 9(: $ #"%( P en la segunda se realizo una titulaci+n acido d.bil O base /uerte, en donde el C5:C<<5 /ue el acido d.bil $ la sustancia titulada, $ el Na<5 /ue la base /uerte $ la sustancia titulante con el verde de bromocresol como indicador visual -ue *osee un vira6e de amarillo a azul entre un *5 de :(9 $ 2()9(
Valora,i( Va lora,i( a,ido 3"&r+& 8 a$& 3"&r+&) Como $a se menciono Se uso 5Cl como sustancia titulada $ Na<5 como sustancia titulante además de la /enol/taleína como indicador visual( Kracias a -ue estas sustancias son un acido /uerte $ una base /uerte su ionizaci+n en medio acuoso es com*leta2( @or lo tanto=
−¿ ¿ + ¿ +Cl
¿
HCl↔ HCl ↔ H
(Figura No $)
+¿ ¿ −¿ + Na
¿
NaOH ↔ OH
(Figura No %)
Se observo -ue el acido $ la base usados se com*ortan seg8n la literatura -ue se estudio (&éase: 'eferencia No %) en donde el acido a*orta iones 5B $ la base a*orta iones <5( P -ue *or lo tanto la neutralizaci+n se dio seg8n se e0*lico en el *árra/o re/erente a la /igura No# -ue en este caso /ue= HCl + NaOH ↔ NaCl + H 2 O
/orma básica%( Lo -ue *ermiti+ deducir -ue, seg8n el *rinci*io de Le C'telier, cuando aum aumento ento la conc concen enttraci raci+n +n de ion ones es 5B >'idronioH se /avorecieron la /ormaci+n de reactivos (i!.uierda), $ *or lo tanto la /orma acida del indicador $ -ue cuando aumento la concentraci+n de iones <5 se /avoreci+ la /ormaci /ormaci+n +n de *roduct *roductos os (derec/a), $ *or lo tanto la /orma básica del indicador( @or lo tant tanto, o, cuan cuando do 0*+d 0*+d 0+d 0+d el indica indicador dor estuvo a *unto de e0*resar su vira6e( @ara este caso en es*ecial, se investigo -ue −10 la Ka de la /enol/taleína es de 3 × 10 lo -ue indica -ue el *5 en -ue *resenta su vira6e varío entre valores cercanos a (2 *ues= −10
pH = pKa=−log ( 3 × 10
)=9.5
>%H
(Figura No )
Se dedu6o -ue la *roducci+n de agua esta relaci relaciona onada da con la neutrali neutralizaci zaci+n, +n, en este este caso *articular, del acido( Con res*ecto a las gra/icas corres*ondientes corres*ondientes a la curv curvaa de la titu titula laci ci+n +n real realiz izad adaa se observo -ue el cambio brusco de *5 se dio simultáneamente con el cabio de color del indicador usado -ue *ara esta *ractica $ titulaci+n /ue la /enol/taleína( Se investigo -ue el *5 al -ue un indicador e0*resa e0* resa su vira6e vira6e de*ende de*ende de la Ka -ue el % indi indicad cador or *osea *osea seg8n la ecuaci+n siguiente= +¿ ¿ −¿ + H 3 O
HId + H 2 O↔Id
¿
(Figura No )
7n donde el *+d, es el indicador en su /orma /orma acida $ el +d -, es el indicador en su
A *arti *artirr de la 1abla bla #( (&éase (&éase:: 23 atos4 atos4 cálculos # resultados), se in/iri+ en -ue el *5 de la sln de 5Cl ascendi+ dentro de un rang rangoo en do dond ndee la /eno /enoll/tal /taleí eína na es un indicador adecuado *ues se observo -ue el *unto /inal de la titulaci+n se dio cuando se agregaron #"ml de base $ se alcanzo un *5 de #"( #"( se invest investigo igo -ue la /enol/ /enol/tal taleín eínaa *osee su rango de vira6e v ira6e entre un *5 de 9(: $ % #"(" , lo -ue concord+ con su com com*o *ort rtam amie ient ntoo du dura rant ntee la titul itulac aci+ i+nn realizada, *asando de incoloro en su /orma acida a rosa en su /orma básica(
7l vira6e de la /enol/taleína esta dado *or la siguiente reacci+n=
(For5a acida 67 For5a básica ) (Figura No 8)
Valora,i( a,ido d7il 8 a$& 3"&r+&) Como se menciono con anterioridad, *ara esta esta valo valora raci ci+n +n se uso uso C5:C<<5 C<<5 como como acido d.bil $ Na<5 como base /uerte $ con el verde bromocresol como indicador visual( A di/erencia del la valoraci+n acido /uerte O base /uerte, en donde cada com*uesto se ioni ionizab zabaa *or com* com*le leto to en la valora valoraci ci+n +n acido d.bil O base /uerte se investigo $ se encontr+ en -ue el C5:C<<5, *or ser un acido d.bil, se ioniza solo de /orma *arcial2, es decir -ue cuando=
−¿
¿
+ ¿ +CH 3 COO
¿
CH 3 COOH↔H
(Figura No 9)
Aun -uedan mol.culas de C5:C<<5 sin ioni ionizar zarse, se, *ermi *ermiti tien endo do ded deduci ucirr -ue esta esta carac caracte terí ríst stic icaa lo 'ace 'ace una sust sustanc ancia ia más más resistente, -ue el 5Cl, ante los cambios de *5( Se dedu6o -ue esta /ue la causa de -ue se usara usara verde verde brom bromoc ocres resol ol como como indi indica cador dor visu visual al,, $ de -ue -ue el vol volumen umen de Na Na<5 <5 agregado en la valoraci+n acido /uerte O base /uerte /uera e-ui*arable al agregado el la valoraci+n acido d.bil O base /uerte( @rimero, ro, el verde rde brom romocr ocresol sol es un indicador con un rango de vira6e entre un *5
de :(9 $ 2()9 inmediatamente se observo -ue el rango de vira6e del verde bromocresol es muc'o menor -ue el rango de vira6e de la /eno /enol/ l/ta tale leín ína, a, lo cual cual se e0*l e0*lic icoo con con la 'i*+tesis de -ue el rango de vira6e de la /enol/taleína tuvo -ue ser ma$or *ara *oder abarcar el *roceso de neutralizaci+n de un acido /uerte como el 5Cl *ues este se ionizo *or com*leto Segundo, *artiendo de lo mismo, tambi.n /ue *osible deducir -ue el uso del verde bromocresol /ue /undado en el 'ec'o de -ue si el C5:C<<5 es un acido d.bil se resiste a los cambios de *5 muc'o me6or -ue el 5Cl, es decir -ue, si se 'ubiese usado usado /enol/t /enol/tale aleína ína como como indica indicador dor de la valoraci+n acido d.bil O base /uerte *udo 'abe 'aberr sido sido nece necesa sari rioo usar sar muc'o uc'o mas volumen de Na<5 *ara -ue la /enol/taleína e0*resara su vira6e $ es *or eso -ue se usa el verd verdee brom bromoc ocre reso sol, l, *o *orr-ue ue su rang rangoo de vira6e re-uiere de un *5 muc'o menor -ue el de la /enol/taleína $a -ue el la valoraci+n acido d.bil O base /uerte se llego a un *5, en el *unto de e-uivalencia, un *oco menor -ue de acuerdo con la teoría debi+ 'aberlo sido muc'o mas menor( (&éase: abla 1 # abla $" co5;are los ;* en los ;untos de e.uivalencia)
P es *or ello -ue el volumen de Na<5 usado en la valoraci+n acido /uerte O base /uer /uerte te /ue /ue mu$ mu$ sim similar lar al usad usadoo en la valoraci+n acido d.bil O base /uerte( Los Los *osib *osible less error errores es *resen *resente tess du duran rante te la *ractica se consideraron de ti*o sistemático *ersonal, *or-ue durante una titulaci+n o valo valorac raci+ i+nn en don donde de se usen usen indi indicad cador ores es visu visual ales es,, de*e de*end ndee de la e0*e e0*ert rtic icia ia del del e0*e e0*eri rime ment ntad ador or al mome moment ntoo de indi indica car r cuando el vira6e del indicador visual usado es lo su/icientemente intenso o brusco $ -ue *or ende determine el momento en -ue se llega al *unto /inal o de e-uivalencia durante la titulaci+n(
* Co(,l"$io(&$ 1* La buena determinaci+n del *unto /inal o de e-u e-uival ivalenci encia, a, durante durante la realiza realizaci+ ci+nn de una titulaci+n en la -ue se use un indicador visu visual al,, de*e de*end ndee de -ue -ue si el indi indica cado dor r escog escogid idoo sea el mas mas indi indica cado do *ara *ara dic'a dic'a titulaci+n tomando en cuenta su rango de vira6e $ su valor de Ka3 2* 7n una titulaci+n o valoraci+n acido O base en la -ue se usa un indicador visual, es relativamente im*osible determinar el *unto de e-uivalencia e0acto, *ues es la relaci+n entre el acido $ la base es a nivel molecular la cual no se *uede controlar a un nivel macro acrosc sc+* +*iico com como el -ue -ue mane6 ane6aa el e0*erimentador, al llevar un *rocedimiento de estos a cabo( %* Los acido d.biles resisten me6or al cambio de *5 -ue -ue los ácid ácidos os /uer /uerte tes, s, *or*or-ue ue necesitan una ma$or cantidad de base o de iones <5 liberados *ara -ue en el e-uilibrio se vean /avorecidos los *roductos $ se de la neutralizaci+n del acido( 9* :r&;"(+a$ #( 7scr 7scrib ibaa la ecua ecuaci ci+n +n de 5e 5end nder erso sonn $ e0*li-ue su im*ortancia −¿
A [¿
las las conc concen entr trac acio ione ness del del ácid ácidoo $ su base base #" con6ugada durante el e-uilibrio( !( 7scriba las ecuaciones este-uiometricas de las reacciones de titulaci+n Rcido Rcido ac.tico ac.tico >d.bi >d.bilH lH titula titulado do con 'idr+0ido de sodio= C5:C<<5 B Na<5 C5:C</uerte >/uerteHH titula titulado do con 'idr+0ido de sodio= Na<5 B 5Cl NaCl B 5!< •
•
<* R&3&r&(,ia$ #( 1( L( roJn, ( 7( ursten, ( T( urdge, Química= la ciencia central, na 7dicion, @7ATS
¿
¿
HA ] [ HA
)
2( M( Canales, Fisico-uimica olumen i= 1eoria, 1eoria, #( Me0ico, **( ** ( #;; O #;%(
¿
pH = pK a + log ¿
Asumiendo Asumiendo -ue 5A es un ácido d.bil -ue se disocia *arcialmente( La im*ortancia de esta ecuaci+n es *or-ue se utiliza *ara determinar el *5 de una soluci+n amortiguadora a *artir de la constante de disociaci+n del ácido $ de
;('tt*=VVJJJ(tauro-uimica(comVdocumentos ;('tt*=VVJJJ(tauro-uimica(comVdocumentos V;"32C#"#%VverdeWbromocresol(*d/ X isitada el lunes % de marzo de !"## a las #"=)2am %( ( Tonald Killes*ie, A( eltran, Quimi Qu imica ca,, T77T T77T1 1,, #" #",, 7s*a4a, 7s*a4a, **( ;29 O ;;"(
9( I( Sierra Alonso, S( Morante Sarcero, ?, @erez @erez Qu Quin inta tani nill lla, a, 70*e 70*eri rime ment ntaci aci+n +n en -uím -uímic icaa analí analíti tica ca, , ?P ?PYIN YINS< S
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X
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