Relatório de Química Analítica: Potenciometria

UNESP FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA FCT – Campus de Presidente Prudente

Unesp

Química Analítica POTENCIOMETRIA

TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA DO ÁCIDO FOSFÓRICO (H3PO4)

Disc Di scen ente tes: s: Caro Caroli lina na Sc Schn hnei eide der r Gabriela Bitto de Oliveira Marisa da Silva Oliveira Pedro Henrique Picelli de Azevedo Docente: Homero Marques Gomes Disc Di scip ipli lina na:: Quím Químic icaa Anal Analít ític icaa Curso: Engenharia Ambiental 2° ano

Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

SUMÁRIO 1. Objetivos ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .............................................. .......................02 02 2. Introdução 2.1.Titulação 2.1.Titulação Potenciométrica Potenciométrica ............................................ ................................................................... .............................................. ........................... .... 02 2.2. Tipos Tipos de titulação titulação potenciométrica potenciométrica .............................................. ..................................................................... ...................................03 ............03 2.3. Localização do ponto final numa titulação titulação potenciométrica potenciométrica ..........................................03 ..........................................03 2.4. Determinação Determinação Gráfica ............................................. .................................................................... .............................................. ................................ ......... 04 3. Metodologia 3.1. Materiais utilizados utilizados 3.1.1. Vidraria e instrumental instrumental ........................................... .................................................................. ..........................................05 ...................05 3.1.2. Reagentes e soluções ............................................................... ....................................................................................... .........................05 .05 3.2. Procedimentos Procedimentos experimentais experimentais 3.2.1. Titulação Titulação do ácido fosfórico utilizando utilizando indicador ...........................................05 ...........................................05 3.2.2. Titulação potenciométrica do ácido fosfórico ........................................... ..................................................05 .......05 3.2.3. Titulação potenciométrica de coca-cola ...........................................................0 ...........................................................055 4. Resultados e discussões .................................................................. ......................................................................................... .............................................. ........................06 .06 5. Conclusão ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ...........................................12 ....................12 6. Referências bibliográficas bibliográficas ............................................. .................................................................... .............................................. .........................................13 ..................13


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1. OBJETIVOS

−

Demonstrar experimentalmente a técnica de titulação de ácido poliprótico;

−

Demostrar a aplicabilidade da técnica em amostras nas quais a aplicação de indicadores ácido base é impossível; impossível;

−

Comparar a técnica instrumental (pHmetro) com a convencional (indicador);

−

Distinguir o ponto final e o ponto de equivalência.

2. INTRODUÇÃO 2.1. Titulação Potenciométrica Na titulação potenciométrica, potenciométrica, também chamada de potenciometria potenciometria relativa, mede-se a f.e.m. da célula no curso da titulação. As titulações, como sabemos, são acompanhadas de variações bruscas de concentração nas imediações do ponto de equivalência, o que provoca uma variação brusca no potencial do eletrodo indicador e, portanto, também na f.e.m. da célula. A titulação potenciométrica é uma técnica de localização do ponto final na análise volumétrica, aplicável sempre que se dispuser de um eletrodo indicador para a espécie desejada. desejada. São realizadas sucessivas medições da f.e.m. da célula, sendo cada uma delas após a adição de um certo volume de solução titulante. titulante. A seguir relacionam-se esses potenciais com o volume de solução titulante consumida. As medições realizadas no decorrer da titulação potenciométrica são relativas e informam sobre as variações ocorridas no potencial da célula. Através Através delas, pode-se estabelecer com precisão o ponto de equivalência que determinará a concentração da espécie sob análise. A titulação titulação potenciométrica é mais trabalhosa do que a técnica volumétrica com indicadores visuais e requer equipamento especial, mas apresenta uma série de vantagens sobre a técnica convencional: •

•

Maior sensibilidade, pode ser aplicada à soluções bem diluídas; Pode ser empregada para soluções coloridas ou turvas, pois dispensa o uso de indicadores visuais;

•

Pode ser aplicada para certas reações que não disponham de indicadores visuais adequados;

•

Pode-se determinar sucessivamente vários componentes;

•

Pode ser aplicada em meio não aquoso;

•

Pode ser adaptada a instrumentos automáticos. Em 1955, surgiram as primeiras buretas de pistão motorizadas, permitindo a automatização Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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das titulações, acima de tudo com maior precisão na dosagem. As titulações potenciométricas, atualmente, podem ser executadas manual ou automaticamente, com ou sem registro da curva. Na titulação manual, utiliza-se um pHmetro e um conjunto de titulação, que compreende uma bureta de pistão, montada junto com um agitador sobre uma base compacta. Esse tipo de titulação potenciométrica requer o controle constante das diversas etapas, anotando o volume de reagente dosado e o respectivo potencial, dados que posteriormente são utilizados para construir a curva de titulação, de onde é calculado o volume de reagente gasto até o ponto de equivalência e a concentração da espécie analisada. Titulações automáticas dispensam todas as operações manuais e representam um grande avanço sobre as automatizadas, automatizadas, que dependem de operações manuais e são comumente encontradas nos laboratórios de controle de qualidade de matérias-primas ou de produtos finais, enquanto que as titulações automáticas são empregadas na área industrial. 2.2. Tipos de titulação potenciométrica Neste método de indicação potenciométrica, pode-se executar normalmente titulações que envolvem reações de neutralização, precipitação (ou complexação) e de óxido-redução. Reações de neutralização O eletrodo indicador pode ser um eletrodo de hidrogênio, de vidro ou de antimônio; o eletrodo de calomelano é em geral, o eletrodo de referência. A exatidão com que o ponto final pode ser localizado potenciometricamente depende da grandeza da variação da f.e.m nas vizinhanças do ponto de equivalência, e esta variação depende da concentração e da força do álcali. Em todos os casos os resultados são satisfatórios exceto: •

Os que se obtêm com um ácido, ou com uma base muito fracos (K<10-8) e com soluções muito diluídas.

•

Os que se obtém com o ácido e a base, ambos fracos. Neste último caso, pode-se conseguir uma exatidão da ordem 1% com soluções 0,1 M. O método pode ser usado para titular uma mistura de ácidos que tem forças muito diferentes.

A primeira modificação na curva de titulação ocorre quando o mais forte dos dois ácidos for neutralizado, e a segunda quando a neutralização estiver completa. Para este método ter êxito, os dois ácidos, ou bases, devem ter uma diferença de força pelo menos 105 para 1. 2.3. Localização do ponto final numa titulação potenciométrica O ponto final de uma titulação titulação pode ser fixado através do exame da curva de titulação, titulação, pelas curvas das derivadas, ou pelo exame do gráfico de Gran. Existem ocasiões, ocasiões, no entanto, em que pode ser útil um método de detecção elétrico, simples e independente de gráficos, em especial quando se Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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fazem determinações de rotina. Nestes procedimentos, não se usa a combinação normal do eletrodo de referência com o eletrodo indicador, e não há registro contínuo dos valores da f.e.m. durante a titulação. 2.4. Determinação Gráfica As curvas das titulações potenciométricas, isto é, o gráfico das leituras da f.e.m., contra o volu volume me adic adicio iona nado do de ti titu tula lant nte, e, pode pode ser ser leva levant ntad adaa ou pela pela plota plotagem gem manua manuall dos dados dados exper experime imenta ntais is,, ou pela pela plo plota tagem gem automática, automática, mediante instrumentação instrumentação apropriada, durante o decorrer de qualquer titulação. Em geral a curva tem a mesma forma que a curva de neutralização de um ácido, ou seja, é uma curva sigmóide conforme a figura 1. O segmento central da curva aparece na figura 1.a, e é evidente que o ponto final está localizado no segmento fortemente ascendente da curva, ou seja, se acha localizado a meia altura do salto sobre a curva de titulação. Para uma maior exatidão na determinação do ponto final, emprega-se métodos geométricos para a sua determinação; determinação; são eles: o método das bissetrizes, o método das tangentes paralelas e o método dos círculos tangentes. A menos que a curva tenha sido plotada automaticamente, a exatidão dos resultados de qualquer destes es méto método doss depe depend nder eráá da habi habili lida dade de com com que que a curv curvaa de Figura 1: Determinação Gráfica dest do Ponto de Equivalência titulação tiver sido desenhada, pelos pontos plotados no gráfico, a partir das observações experimentais. Por isso é usualmente preferível empregar métodos analíticos analíticos para localizar o ponto final.


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3. METODOLOGIA 3.1. MATERIAIS UTILIZADOS 3.1.1. Vidraria e instrumental: • Béqueres; • Bureta; • pHmetro com eletrodo combinado; • Agitador magnético com barra magnética. 3.1.2. Reagente e solução: • Solução padronizada de NaOH 0,2 mol/L; • Solução de H 3PO4 aproximadamente 0,04 mol/L • Coca-cola zero; • Água destilada; • Solução de fenolftaleína 1%. 3.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 3.2.1. Titulação do ácido fosfórico utilizando indicador Transferiu-se para um béquer 50,0 mL de solução de H 3PO4 adicionando adicionando aproximadamente aproximadamente 100 mL de água destilada e gostas de fenolftaleína. O béquer foi colocado em cima do agitador magnético com barra magnética, para que a titulação com a solução padrão de NaOH fosse realizada até a viragem da solução de incolor para rósea. O volume resultante foi anotado para cálculos posteriores 3.2.2. Titulação potenciométrica do ácido fosfórico Assim como no experimento anterior, transferiu-se para um béquer 50,0 mL de solução de H3PO4 , adicionando aproximadamente 100 mL de água destilada. O béquer foi colocado no agitador magnético com barra magnética e o eletrodo do pHmetro foi ligado na solução. O pH inicial foi anotado assim como todos os volumes e consecutivos pH. 3.2.3. Titulação potenciométrica de coca-cola De início foi transferido 50 mL de coca-cola para um béquer, béquer, adicionando aproximadamente 100 mL de água. O mesmo procedimento feito no experimento anterior foi realizado neste para a titulação da coca-cola.


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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Muitos dos ácidos com os quais trabalhamos são polipróticos, isto é, tem a capacidade de doar mais do que um próton, e um exemplo é o ácido fosfórico. Quando o ácido fosfórico está em solução aquosa, ele sofre as seguintes dissociações: H3PO4 (aq) → H+ + H2PO4 (aq) H2PO4- (aq) ↔ H+ + HPO42− (aq) HPO4 2− (aq) ↔ H+ + PO43− (aq) Quan Quando do o hidr hidrog ogen enof ofos osfa fato to de sódi sódioo está está em solu soluçã çãoo aquo aquosa sa,, ocor ocorre rem m as segu seguin inte tess dissociações: Na2HPO4 (aq) → 2 Na+ + HPO 4 − (aq) HPO4− (aq) ↔ H + + PO 4− (aq) Quando adicionamos o hidróxido de sódio na solução, ocorrerá a neutralização das espécies ácidas conforme equações abaixo:: (1)H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O (2)NaH2PO4 + NaOH → Na 2HPO4 + H2O (3)NaHPO4 + NaOH → Na3PO4 + H2O A adição sucessiva de base vai fazer com que o ácido passe a formas iônicas com cargas cada vez mais negativas, até que surja uma espécie aniônica que não se comporte como ácido. Dura Durant ntee o expe experi rime ment ntoo real realiz izam amos os a ti titu tulo lome metr tria ia de neut neutra rali liza zaçã çãoo e a ti titu tula laçã çãoo potenciométrica. Neste segundo caso, o valor da concentração do ácido foi obtido pelo método gráfico, através da leitura dos volumes gastos de NaOH na titulação quando são obtidos os diferentes pontos de equivalência. Quando começamos a adicionar a base, os íons OH - reagiram com os H+ provenientes do ácido, mas o pH apresenta pequena variação por estarmos na presença de uma solução tampão, mas, à medida que nos aproximamos do ponto de equivalência notamos uma variação mais brusca do pH. Prosseguindo com a titulação, houve uma nova variação brusca nos valores de pH, correspondente a uma segunda zona tampão. Há ainda a considerar um eventual terceiro ponto de equivalência, equivalência, que corresponderia à reacção: NaHPO + NaOH (l) → NaPO + H 2O, contud contudoo este este ponto ponto de equiv equivalê alênci nciaa não é tão tão facil facilme mente nte observ observáve ável,l, tal como como o segun segundo. do. Preci Precisar saríam íamos os de um PH mui muito to alto alto para para neutra neutraliz lizar ar o terce terceiro iro H +, porém isso não pode ser alcançado pelo método utilizado. A titulação de um ácido poliprótico é um pouco mais complexa que o habitual uma vez que iremos ter tantos pontos de equivalência quantas as protólises do ácido. Essa técnica consiste em observar o aumento de pH na medida em que é adicionado o titulante, no caso, uma base forte. Durante o processo observa-se, no gráfico de pH vs. volume de titulante, um ponto de inflexão na curva. Este ponto de inflexão é o ponto exato em que ocorre a neutralização do ácido pela base. Por Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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tratar-se de um ácido poliprótico (3H +) observamos três pontos de inflexão pelos quais podemos descobrir suas concentrações. concentrações. 4.1. Titulação do ácido fosfórico utilizando indicador H3PO4 (aq) + H2O (l) → H2PO4- (aq) + H3O+ (aq) H2PO4- (aq) + H2O (l) → HPO42- (aq) + H3O+ (aq) HPO42- (aq) + H2O (l) → PO43- (aq) + H3O+ H3PO4→ 3H+ + PO4-3 Foi utilizado a solução padrão de hidróxido de sódio até a viragem do indicador, que ocorre em um PH próximo a 8,5. Com base no experimento feito com o PHmetro, observamos que no PH de 8,5 ocorre a neutralização do segundo H + do ácido, ou seja, quando ocorre a viragem da fnolftaleína, foram neutralizados dois H +. Assim, o número de mols de NaOH gasto é o dobro do número de mols do ácido, uma vez que a base reagiu numa proporção de 1:2 com o ácido: Calcul Calculoo da conce concentr ntraçã açãoo de H 3PO4 present presentee na amostra amostra no po pont ntoo de vira virage gem m do titulador: n (NaOH) = 0,2 x 16,50.10 -3 = 3,3.10-3 mol n (H3PO4) = n (NaOH) / 2 → n (H3PO4) = 3,3.10 -3 / 2 = 1,65. 10 -3 mol C = n / V → [H 3PO4] = 1,65. 10 -3 / 50,0 x 10-3 = 0,033 → [H3PO4] = 3,3.10-2 mol/L 4.2. Titulação potenciométrica do ácido fosfórico f osfórico Vol. ol. de de NaO NaOH H (mL) (mL) pH do H3PO4 Vol. de NaOH (mL) pH do H3PO4 0 1,33 13 6,98 1 1,40 14 7,17 2 1,62 15 7,41 3 1,72 16 7,82 4 1,89 16,5 8,12 5 2,01 17 9,62 6 2,19 17,5 10,52 7 2,36 18 10,85 8 2,92 18,5 11,05 8,5 4,53 19 11,18 9 5,77 21 11,50 9,5 6,12 23 11,70 10 6,28 30 12,10 11 6,54 40 12,37 12 6,76 50 12,50 Quadro 1. Volume de NaOH astos em mL x H da solu ão


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pH

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Gráfico 1. Curva de titula ão do ácido fosfórico fosfórico

Gráfico Gráfico 2. Determina Determina ão ráfica ráfica dos ontos ontos este uiométric uiométricos os do ácido ácido fosfóric fosfóricoo Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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A análise análise dos gráficos mostra que o primeiro ponto de equivalência (ponto de inflexão) ocorre quando o volume de titulante é de 8,4 mL e o segundo ponto de equivalência ocorre com um volume de 16,8 mL . Calculo da concentração de H 3PO4 no 1° ponto de equivalência, no momento em que apenas 1 hidrogênio havia sido neutralizado: V (NaOH) = 8,40 mL n (NaOH) = 0,2 x 8,40.10 -3 = 1,68.10-3 mol No ponto de equivalência a estequiometria é de 1:1, então: n (H3PO4) = n (NaOH) → n (H3PO4) = 1,68.10-3 mol C = n / V → [H 3PO4] = 1,68. 10 -3 / 50,0 x 10-3 = 0,0336 → [H3PO4] = 3,36.10-2 mol/L Calculo da concentração de H 3PO4 no 2° ponto de equivalência, no momento em que o seguindo hidrogênio é neutralizado, proporção de 1:2 : V (NaOH) = 16,80 mL n (NaOH) = 0,2 x 16,80.10 -3 = 3,36.10-3 mol No ponto de equivalência a estequiometria é de 1:2, então: n (H3PO4) = n (NaOH)/2 → n (H3PO4) = 3,36.10-3/2 = 1,68.10 -3 mol C = n / V → [H 3PO4] = 1,68. 10 -3 / 50,0 x 10-3 = 0,0336 → [H3PO4] = 3,36.10-2 mol/L A concentração de ácido encontrada em ambos os pontos estequiométricos são iguais, [H3PO4] = 3,36.10-2 mol/L, o que comprova a veracidade da tabela obtida na prática. 4.3. Titulação potenciométrica de coca-cola Vol. ol. de de NaO NaOH H (mL) (mL) pH do H3PO4 Vol. de NaOH (mL) pH do H3PO4 0 3,12 7 11,34 1 4,70 8 11,57 2 5,63 9 11,73 3 6,40 10 11,85 3,5 6,90 12 12,00 4 8,30 14 12,13 4,5 9,00 16 12,23 5 9,30 18 12,29 5,5 10,62 20 12,36 6 10,98 30 12,55 Quadro 2. Volume de NaOH astos em mL x H da solu ão de coca-cola Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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Gráfico 3. Curva de titula ão do ácido fosfórico resente na coca-cola

Gráfico Gráfico 4. Determina Determina ão ráfica ráfica dos ontos ontos este este uiométric uiométricos os do ácido ácido fosfóric fosfóricoo da coca-cola coca-cola Presidente Prudente, 06 de novembro de 2010

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A análise dos gráficos mostra que o primeiro ponto de equivalência (ponto de inflexão) ocorre quando o volume de titulante é de, aproximadamente, 3,75 mL e o segundo ponto de equivalência equivalência ocorre com um volume de 5,20 mL. Calculo da concentração de H 3PO4 da coca-cola no 1° ponto de equivalência, no momento em que apenas 1 hidrogênio havia sido neutralizado: V (NaOH) = 3,75 mL n (NaOH) = 0,2 x 3,75.10 -3 = 0,75.10-3 mol No ponto de equivalência a estequiometria é de 1:1, então: n (H3PO4) = n (NaOH) → n (H3PO4) = 0,75.10-3 mol C = n / V → [H 3PO4] = 0,75. 10-3 / 50,0 x 10 -3 = 0,015 → [H3PO4] = 1,5.10-2 mol/L Calculo da concentração de H 3PO4 da coca-cola no 2° ponto de equivalência, no momento em que o seguindo hidrogênio é neutralizado, proporção proporção de 1:2 : V (NaOH) = 5,2 mL n (NaOH) = 0,2 x 5,2.10 -3 = 1,04.10-3 mol No ponto de equivalência a estequiometria é de 1:2, então: n (H3PO4) = n (NaOH)/2 → n (H3PO4) = 1,04.10-3/2 → n (H3PO4) = 0,52 mol C = n / V → [H 3PO4] = 0,52. 10 -3 / 50,0 x 10 -3 = 0,0104 → [H3PO4] = 1,04.10-2 mol/L O resu result ltad adoo obti obtido do para para a conc concen entr traç ação ão do ácid ácidoo fosf fosfór óric icoo nos nos dife diferen rente tess pont pontos os estequiométricos estequiométricos é diferente, diferente, sendo de [H 3PO4] = 1,5.10-2 mol/L, no primeiro ponto, e de [H 3PO4] = 1,04.10-2 mol/L, no segundo ponto. Há três explicações possíveis para que isso tenha ocorrido, sendo que elas podem se somar ou agirem isoladas: erros no momento em que a tabela foi construída, não respeitando os pequenos intervalos de adição da solução padrão de NaOH próximo ao ponto de equivalência, gerando, assim, um gráfico não compatível com a prática; pode haver erros no momento de calcular o ponto estequiométrico estequiométrico a partir do gráfico, traçando linhas linhas erradas e; o ao fato dos pontos estequiométricos serem muito próximos gera um gráfico de difícil análise devido ao pouco espaçamento de uma curva de desprotonação para a outra.


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5. CONCLUSÃO Todos os experimentos foram preprados com o mesmo volume de solução a ser titulada e com substâncias que possuiam ácido fosfórico (H 3PO4) com o intuito de comparar os resultados obtidos a respeito da concentração desse ácido em cada uma deles. Assim, na titulação do ácido fosfórico utilizando indicador, o resulado da concentração de H 3PO4 na segunda desprotonação, já que o indi indica cado dorr poss possui ui pont pontoo de vira virage gem m prox proxim imoo a esse esse,, foi foi de 3,3. 3,3.10 10 -2 mol mol/L /L,, na ti titul tulaçã açãoo potenciométrica potenciométrica do ácido fosfórico, um resultado semelhante semelhante foi obtido para a [ H 3PO4] na primeira e nanse nansegun gunda da despro desproton tonaç ação, ão, 3,36.1 3,36.100 -2 mo mol/ l/L, L, leva levand ndoo em cons consid ider eraç ação ão que que as técn técnic icas as potenciométricas possui maior sensibilidade, os resultados mostram que a titulação com indicador, apesar de ser completamente completamente manual, possui grande precisão quando feita da maneira correta. Para os experimentos de titulação potenciométrica do ácido fosfórico na coca-cola, a concentração de ácido encontrada na primeira desprotonação foi de 1,5.10 -2 mol/L e na segunda de 1,04.10-2 mol/L, havendo uma significativa diferença entra os resultados, porém o mesmo pode ter ocorrido devido a contrução da tabela que não permitiu a obtenção do gráfico condizente com a prática, havendo, portanto, erro na determinação do ponto estequiométrico. estequiométrico. A coca-cola coca-cola possui um pH inicial inicial de 1,33 enquando enquando a solução de ácido ácido fosfórico tem pH de 3,12, esses dados podem ser relacionados de forma inversamente proporcional com a concentração de ácido presente na solução, onde quanto menor o pH maior é a concentração de H3PO4, já que a coca-cola possui concentração em torno de 1,5.10 -2 mol/L enquanto a solução de ácido fosfório 3,36.10-2 mol/L.


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6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS OHLWEILER, OHLWEILER, Otto Alcides. Química Analítica quantitativa. quantitativa. 2a. ed, volume 3, Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 1976 VOGEL, VOGEL, A. I e outros. Análise Química Quantitativa. Quantitativa. 5a. ed, Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1992. HARRIS, Daniel C. Quantitative Chemical Analysis. Analysis. 5a. ed, W. H. Freeman and Company, New York, 2000. sites:

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