APLICAR TITULACIONES POTENCIOMÉTRICAS POTENCIOMÉTRICAS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SOLUCIONES PROBLEMA (ÁCIDO FOSFÓRICO, DESTAPACAÑERÍAS COMERCIAL (OSIREX)). Germán Guerra Departamento de ingeniería química. Laboratorio de Análisis instrumental. Sección 1. Campus UNEXPO. Avenida La Salle con Avenida Corpahuaico. Barquisimeto. Fecha en que se realizó la práctica: 11/01/10.
Resumen El estudio consistió en tomar muestras de solución de ácido fosfórico de concentración desconocidas para titularla con hidróxido de sodio (NaOH) normalizado de concentración 0,5 M usando el método potenciométrico y el método clásico (en una usando como agente indicador la fenolftaleína y en otra al rojo de metilo) para la detección de los respectivos puntos finales correspondientes. De igual forma se tomó una muestra de un destapa cañerías comercial (OSIREX) al 5ml / 500ml para determinarle la concentración de NaOH presente en él, mediante la titulación potenciométrica con HCl normalizado usado como titulante. Luego se procedió a realizar los gráficos de pH vs VTitulante, ΔpH/ΔV vs VTitulante, y Δ2pH/Δ2V vs VTitulante, con las cuales se pudo determinar mediante la titulación potenciométrica que la solución problema de ácido fosfórico tiene una concentración de 0,1625 M, y posee unas constantes de acidez, Ka1 y Ka2, de 6,3097x10-3 y 4,4668x10-8, respectivamente; y por el método clásico se obtuvo que tenía una concentración de 0,3350 M usando como indicador a la fenolftaleína y una concentración de 0,2185 M usando como indicador al rojo de metilo (presentándose un porcentaje de desviación entre ambos métodos del 21,23%). La concentración de NaOH determinada a la muestra de OSIREX fue de 28,75 M
medio de un electrodo indicador adecuado el cual es sensible al componente deseado. Se puede emplear cualquier sistema de electrodo del cual pueda derivarse un cambio de potencial que siga la ecuación de Nernst:
INTRODUCCION Cuando se está practicando una titulación potenciométrica el interés se enfoca sobre los cambios de la fem de una celda electrolítica cuando se agrega un titulante de concentración perfectamente conocida (patrón) a una solución del analito.
ECELDA = EREFERENCIA + EINDICADOR + EUNIÓN
El método puede aplicarse a todas las reacciones de titulación con tal que la actividad de cuando menos una de las sustancias involucradas pueda seguirse por
Afortunadamente se supone que el potencial de unión permanezca más o menos constante; cuando estas condiciones se obtienen, el electrodo indicador puede 1
abastecer información acerca de la concentración y naturaleza de las sustancias capaces de intercambiar electrones.
muy pequeñas y exactamente medidas, que provean de una adecuada densidad a través del margen del pH (o fem).
Se espera que los electrodos de referencia tengan un potencial que sea independiente de la composición de la solución. Los requerimientos para los electrodos de referencia son enormemente amplios, y sólo se necesita que la respuesta de uno de los dos electrodos de un par, sea sustancialmente mayor o más rápida que la del otro.
En la mayor parte del margen de la celda titulación la fem varía gradualmente, pero cerca del punto final la fem de la celda cambia muy abruptamente así como el logaritmo de la(s) concentración(es) sufre una rápida variación. Por inspección, el punto final puede localizarse a partir del punto de inflexión de la curva de titulación: el punto que corresponde a la velocidad máxima del cambio de la fem de la celda por unidad de volumen del titulante agregado. La distinción del punto final aumenta a medida que la reacción involucrada se vuelve más cercanamente cuantitativa, y una vez que la fem de la celda se ha establecido para una titulación determinada, puede utilizarse para indicar los subsecuentes puntos finales para la misma reacción química.
Las principales ventajas del método potenciométrico son su aplicabilidad a soluciones túrbidas, fluorescentes, opacas o coloreadas, o cuando sean inaplicables o no se puedan obtener indicadores visuales adecuados. Además el método presenta la posibilidad de una sucesión de puntos finales en la titulación de una mezcla. Las titulaciones en medios no acuosos frecuentemente dependen del método potenciométrico, y si se compara con indicadores de color, el punto final puede localizarse con precisión, aún en soluciones diluidas.
El punto final puede localizarse con mayor precisión aún de la segunda curva derivativa, la cual se obtiene graficando la aceleración de la fem contra el volumen del titulante agregado. En el punto final, la segunda derivativa se vuelve numéricamente igual a cero conforme el valor de la ordenada cambia rápidamente de un número positivo a otro negativo.
El problema crítico en una titulación potenciométrica es el de reconocer el punto en el cual las cantidades de especies reactantes se encuentran presentes en cantidades equivalentes – el punto de equivalencia -. En las titulaciones potenciométricas la curva de titulación puede seguirse punto por punto, proyectando como ordenada valores sucesivos de la fem de la celda contra el volumen correspondiente (o miliequivalentes) del titulante agregado. Las adiciones del titulante deben ser cantidades
En cuanto a los electrodos indicadores, algunas veces se pueden seguir, durante la titulación, las variaciones de la diferencia en el potencial de electrodo de dos electrodos indicadores. La eliminación del electrodo de referencia usual y su puente de sal de servicio, eliminan las dispersiones del electrólito puente y minimizan el 2
potencial líquido de unión que es deseable cuando están involucradas soluciones que poseen altas resistencias.
El electrodo de vidrio puede emplearse como un electrodo de referencia en un medio con un pH fijo o tamponado, o en concentraciones bastantes altas de iones hidrógeno. En titulaciones de oxidaciónreducción, el electrodo de vidrio puede acoplarse con uno de platino.
METODOLOGIA Reactivos Utilizados:
Cabe destacarse que la sensibilidad de una titulación potenciométrica está limitada por la exactitud de las mediciones de los potenciales de los electrodos a concentraciones bajas. La concentración limitante en el método de titulación potenciométrica es de 10-3 N.
OBJETIVOS
Objetivo General
Aplicación de las titulaciones potenciométricas para la determinación de la concentración de soluciones problema (ácido fosfórico, destapa cañerías comercial (OSIREX)).
Objetivos específicos:
Agua destilada. Solución de hidróxido de sodio (NaOH) normalizado de una concentración de 0,5 M proporcionado por el técnico de laboratorio. Solución de ácido clorhídrico (HCl) normalizado de una concentración de 0,5 M. Solución problema de ácido fosfórico (H3PO4) de concentración desconocida. Indicadores de fenolftaleína y rojo de metilo al 1% en etanol. Solución problema de OSIREX de proporción de 5ml / 500ml.
Aparatos y materiales:
Evaluar la precisión de las titulaciones potenciométricas delante de las clásicas, mediante la comparación de los resultados obtenidos con ambas titulaciones. El uso del pH-metro inoLab.
Determinación de la concentración de ácido fosfórico (H3PO4) de una solución problema, así como también de sus constantes de disociación. Determinación de la concentración de hidróxido de sodio (NaOH) en una muestra de destapa cañerías comercial (OSIREX). La aplicación de las titulaciones clásicas y potenciométricas para la determinación de las concentraciones de las muestras analizadas.
PH-metro marca inoLab, de desviación +0,01 a 25 ºC. Electrodo de vidrio. Agitador magnético. Buretas de 15,0 ml, de desviación + 0,01. Pipeta volumétrica de 10 ml, + 0,06. Vasos de precipitados (Beakers) de 250 ml, marca Pirex. Soporte universal. Pinzas sujetadoras. Pizeta.
Procedimiento:
Primero se llevan a cabo titulaciones por el método clásico y una potenciométrica a la solución problema de ácido fosfórico: 3
de equivalencia a un volumen agregado de aproximadamente 6,70 ml del titulante y se determinó una concentración de0,3350 M, y usando el rojo de metilo como indicador se consiguió que el punto de equivalencia fue a un volumen agregado de aproximadamente 4,37 ml del titulante y se determinó una concentración una concentración de H3PO4 de 0,2185 M.
Se pipetean 10 ml de H3PO4 y se colocan en un beaker de 250 ml; se le agrega 50 ml de agua destilada. Luego se titula con la solución patrón de NaOH utilizando como indicador la fenolftaleína. Seguidamente se procede de la misma manera, pero usando como indicador al rojo de metilo. En cada una de las titulaciones se anota el punto final obtenido para calcular la concentración del ácido. Después, una vez calibrado el pH-metro con soluciones patrón buffers de pH 4 y 7, se pipetean 10 ml de H3PO4 en un beaker y se le agrega 50 ml de agua destilada. Se colocan adecuadamente los electrodos hasta que estos estén cubiertos por la solución en sus partes sensibles y se enciende el agitador magnético (se realiza la lectura del pH correspondiente en éste momento). Luego se titula con NaOH anotando los valores del pH después de cada adición del titulante (Nota: la adición del titulante debe ser en intervalos de 0,5 ml en la cercanía de los puntos finales). Una vez obtenidas las anotaciones del pH, se elaboran los gráficos de pH vs VTitulante, ΔpH/ΔV vs VTitulante, y Δ2pH/Δ2V vs VTitulante. Una vez obtenidos los puntos finales se calcula la concentración del ácido y sus constantes de disociación.
13 12 11 10 9 ) . 8 a . 7 u ( 6 , H5 p 4 3 2 1 0
Gráfico 1:Gráfico de pH Vs Volumen de NaOH gastado.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Volumen de NaOH gastado, (ml)
Fig. 1, Gráfico de pH Vs Volumen de NaOH gastado. Con la titulación potenciométrica de la solución de H3PO4, se obtuvieron los puntos de equivalencia al haber agregado los volúmenes de 3,25 ml y 7,25 ml del titulante (Ver Fig. 2 y 3), determinándose un valor de su concentración de 0,190 M con unas constantes de acidez, Ka1 y Ka2, de 2,5119x103 y de 1,5849x10-7, respectivamente. Para obtener los resultados de las constantes de acidez se hizo lectura de los pH correspondientes a los puntos de equivalencia con el gráfico de pH vs V Titulante, (Ver Fig. 1), y aplicando la ecuación de: Ka = 10- pH.
Seguidamente se realiza la titulación potenciométrica de la solución problema de OSIREX (destapa cañerías comercial) de la misma manera que la anterior, pero usando como agente titulante una solución normalizada patrón de HCl. RESULTADOS Y DISCUCIÓN DE LOS RESULTADOS Con las titulaciones clásicas se tuvo que: usando la fenolftaleína se obtuvo que la solución problema de H3PO4 tenía el punto 4
Y comparando el resultado obtenido entre la titulación potenciométrica y la titulación clásica en la que se usó el rojo de metilo como indicador, se tiene un porcentaje de desviación del 34,46% respecto a la valoración potenciométrica.
Gráfico 2: Gráfico del ΔpH/ΔV Versus el V de NaOH gastado.
5 4 V Δ
/ H p Δ
3
Como se puede observar, entre ambos métodos se obtuvieron puntos finales muy similares; la diferencia está en que con la titulación potenciométrica la localización de los puntos de equivalencia fueron más precisos.
2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V de NaOH gastado, (ml)
Por otro lado, aplicándole la titulación potenciométrica a la muestra problema de OSIREX para determinarle la concentración de
Fig. 2, Gráfico del ΔpH/ΔV Versus el V de NaOH gastado. Comparando el resultado obtenido con la titulación potenciométrica con el de la titulación clásica en la que se usó fenolftaleína como indicador, se tiene un porcentaje de desviación entre ellas del 7,59%.
Gráfico 4: Gráfico de pH Versus Volumen de HCl gastado. 14 12 ) . a . u ( , H p
Gráfico 3: Gráfico de Δ2pH/Δ2V Versus el Volumen de NaOH gastado.
9 8 7 6 5 4 V 23 Δ /2 H1 p 20 Δ -1 0 -2 -3 -4 -5 -6 -7
10 8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Volumen de HCl gastado, (ml)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Fig. 4, Gráfico de pH Vs Volumen de HCl gastado. NaOH presente, se obtuvo el punto de equivalencia al haber agregado un volumen de 5,75 ml aproximadamente del HCl normalizado como titulante. (Ver Fig. 4, 5 y
Volumen de NaOH gastado, (ml)
Fig. 3, Gráfico de Δ2 pH/Δ2V Versus el Volumen de NaOH gastado.
5
6), determinándose un valor de su concentración de 28,75 M.
CONCLUSIÓN Se pudo evidenciar que la utilización de las titulaciones potenciométricas es de suma importancia ya que permiten localizar con más precisión el punto equivalente de la valoración.
Gráfico 5:Gráfico de ΔpH/ΔV Versus el Volumen de HCl gastado - 1.002.003.004.005.006.007.008.00 -1.00 -2.00 -3.00 -4.00 -5.00 V Δ -6.00 / H -7.00 p Δ -8.00 -9.00 -10.00
Se logró además la determinación de la concentración de ácido fosfórico en la solución problema mediante la comparación del método potenciométrico de titulación con el clásico, obteniéndose resultados muy similares por ambas vías. También se pudo constatar que las titulaciones potenciométricas resultó eficientemente útil para la determinación de la concentración de NaOH en la muestra problema del destapa cañerías comercial OSIREX.
Volumen de HCl gastado, (ml)
Fig. 5, Gráfico del ΔpH/ΔV Versus el V de HCl gastado. Gráfico 6: Gráfico de Δ2pH/Δ2V
Igualmente se alcanzó verificar que trabajando en una manera apropiada, las valoraciones potenciométricas proporcionan el punto de equivalencia más confiable en una titulación.
Versus el Volumen de HCl gastado.
20 15 V
2 Δ
/ H p 2 Δ
10
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA
5 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-5
-10
Galen W. Ewin. “Métodos Instrumentales de Análisis Químico”. Editorial Mc Graw -
Hill. México, 1978. Willard, Hobart,
Merritt,
Dean.
“Métodos instrumentales de análisis”.
Editorial continental, 1971.
-15 V de HCl gastado, (ml)
Fig. 6, Gráfico de Δ2 pH/Δ2V Versus el Volumen de HCl gastado.
6
ANEXOS Ka1 =
Cálculos Típicos:
10 -pH = 6,3097x10-3
Procediendo de manera similar, se coincide en que el segundo punto de equivalencia es en V2 = 7,25 ml.
Determinación de la concentración de H3PO4 por medio de las titulaciones clásicas: Usando fenolftaleína:
VK2 =
V1 + V2 – V1 = 5,25 ml. 2 Para 5,25 ml y usando el gráfico número 1, se observa que la solución tiene un pH de 7,35. Así:
CH PO x VH PO = CNaOH x VNaOH x 2 3
4
3
4
CH PO = 0,5M x (6,70x10-3L) = 0,3350 M 3
4
(10 x10-3L) x 2
Ka2 =
10 -pH = 4,4668x10-8
Usando rojo de metilo: Para determinar la concentración de H3PO4,
CH PO x VH PO = CNaOH x VNaOH 3
4
3
4
CH PO = 0,5M x (4,37x10-3L) = 0,2185 M 3
4
CH PO x VH PO = CNaOH x VNaOH 3
-3
4
3
4
(10 x10 L) CH PO = 0,1625 M 3
Determinación de las constantes de disociación del H3PO4 y su concentración por medio de titulaciones potenciométricas:
Analizando los gráficos 2 y 3, se coincide en que el primer punto de equivalencia es en V1 = 3,25 ml.
4
Determinación de la concentración de NaOH en la muestra problema de OSIREX:
Analizando los gráficos 4, 5 y 6, se coincide en que el punto de equivalencia es en V = 3,26 ml. CHCl x VHCl = CNaOH x VNaOH
VK1 =
V1 = 1,625 ml. 2 Para 1,625 ml y usando el gráfico número 1, se observa que la solución tiene un pH de 2,2. Así:
CNaOH =0,5M x (5,75x10-3L)x500ml= 28,75 M (10 x10-3L) 5ml
7
Tablas de Datos Experimentales:
Datos anotados de la titulación potenciométrica de la solución problema de H3PO4.
VNaOH (ml), ± 0,01
pH (u.a.), +
VNaOH (ml)
ΔpH/ΔV
VNaOH (ml)
Δ2pH/Δ2V
0,01 0
2,08
0,25
0,02
0,5
0,20
0,5
2,09
0,75
0,12
1
0,08
1
2,15
1,25
0,16
1,5
0,24
1,5
2,23
1,75
0,28
2
0,16
2
2,37
2,25
0,36
2,5
0,72
2,5
2,55
2,75
0,72
3
8,92
3
2,91
3,25
5,18
3,5
-6,48
3,5
5,50
3,75
1,94
4
-2,24
4
6,47
4,25
0,82
4,5
-0,52
4,5
6,88
4,75
0,56
5
0,08
5
7,16
5,25
0,6
5,5
-0,04
5,5
7,46
5,75
0,58
6
6
7,75
6,25
0,58
6,5
1,72
6,5
8,04
6,75
1,44
7
6,80
7
8,76
7,25
4,84
7,5
-6,56
7,5
11,18
7,75
1,56
8
-1,96
8
11,96
8,25
0,58
8,5
12,25
Fuente: Propia.
8
-3,5527E
-15
Datos anotados de la titulación potenciométrica de la muestra problema de OSIREX.
VHCl (ml), + 0,01
pH (u.a.), +
VHCl (ml)
ΔpH/ΔV
VHCl (ml)
Δ2pH/Δ2V
0,01
0
12,96
0,25
-0,08
0,5
0
0
12,96
0,75
-0,08
1
-0,08
0,5
12,92
1,25
-0,12
1,5
0,08
1
12,88
1,75
-0,08
2
-0,08
1,5
12,82
2,25
-0,12
2,5
0
2
12,78
2,75
-0,01
3
-0,2
2,5
12,72
3,25
-0,22
3,5
-0,2
3
12,66
3,75
-0,32
4
-0,6
3,5
12,55
4,25
-0,62
4,5
-2,96
4
12,39
4,75
-2,10
5
-10,8
4,5
12,08
5,25
-7,50
5,5
-2,4
5
11,03
5,75
-8,70
6
14,72
5,5
7,28
6,25
-1,34
6,5
1,88
6
2,93
6,75
-0,40
7
0,32
6,5
2,26
7,25
-0,34
7
2,06
Fuente: Propia.
9
