FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
QUÍMICA ANALÍTICA CUALITATIVA PREPARACIÓN DE SOLUCIONES BUFFER
“
”
Docente: Ing. VARGAS LINDO, César. Alumno: GUILLÉN JERÍ, Silver.
1. PREPARACIÒN PREPARACIÒN DE SOLUCIONES QUE SE EMPLEARÁN: A) 100mL DE ÁCIDO ACÉTICO 0.3M %CH3COOH CH COOH
3
99.7%
1.055 g / mL
PM CH3COOH
60 g / moL
PRIMERO : Calculamos Calculamos la concentración concentración del ácido acético puro o concentrado
%v / v
Vsoluto
* 100
Vdisolución Vsoluto
99.7
; sea Vdisolución =100mL,entonces 100 Vdisolución 0.997 * 100 Vsoluto 99.7 mL
n
m
V m
m
* V
105.18 g
60 g / mol
PM
105.18 g
1.753mol
1.753mol 17.53mol / L L Vsolución 100mL. 1000 mL SEGUNDO : Preparamos Preparamos 100mL de ácido acético acético 0.3M
M
V2
C1V1
n
1.055 g / mL * 99.7 mL
100mL
;
C 2V2
C 2 =0.3M .3M V1
C2V 2 C1
=
; C1 =17.5 17.53M 3M
0.3*100 17.53
1.7 mL
Luego, se requiere 1.7mL de ácido acético concentrado para preparar 100 mL de solución de ácido acético 0.3M.
También se puede calcular empleando la siguiente fórmula Vconcent.
Mdiluid Mdiluid. * PM * Vdiluid Vdiluid .
0.3 * 60 * 0.1
concent . * %c
INGENIERÍA QUÍMICA
1.7 mL
de ácido acético
1.055 * 0.997
SILVER G & J
UNSCH
B) 100 mL DE HIDRÓXIDO DE AMONIO 0.5M % NH
4
NH
OH
4
PM NH
4
29.0%
OH
0.9 g / mL
OH
Vconcent.
35 g / moL Mdiluid . * PM
*Vdiluid .
* %c
concent .
0.5 * 35 * 0.1
0.9 * 0.29
6.7mL hidróxido de amonio.
Se requiere 6.7mL 6.7mL de NH4 OH concentrado concentrado para preparar preparar 100mL 100mL de solución de hidróxido de amonio 0.5M.
C) 100 mL DE ACETATO DE SODIO 0.2M m NaCH3COO
M * PM * V
0.2 * 82 82.03 * 0. 0.1
1.6406g de acetato de sodio.
Se requiere 1.6406g de NaCH 3COO para preparar 100 mL de solución de
acetato de sodio 0.2M.
D) 100 mL DE CLORURO DE AMONIO 0.25M mNH4Cl
M * PM * V
0.25 * 53 53.49 * 0. 0.1
1.3373 g de cloruro de amonio.
Se requier 1.3373g de NH 4 Cl para preparar 100 mL de solución de
cloruro de amonio 0.25M.
E) 100 mL DE HIDRÓXIDO DE SODIO 0.1M mNaOH
M * PM * V
0.1 * 40 40 * 0. 0.1
0.4g de hidróxido de sodio.
Se requiere 0.4g de NaOH para preparar 100 mL de solución de
hidróxido de sodio 0.1M.
F) 100 mL DE ÁCIDO CLORHÍDRI CLORHÍDRICO CO 0.1M % HCl HCl
PM HCl
37%
1.18 g / mL
36.5 g / moL
Vconcent.
Mdiluid . * PM
concent .
*Vdiluid .
* %c
0.1 * 36.5 * 0.1
1.18 * 0.37
0.836mL de ácido clorhídrico.
Se requiere 0.836mL de HCl concentrado para preparar 100mL de solución de ácido clorhídrico 0.1M.
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
2. DETERMINACIÓN DEL pH DE UN BUFFER Y SU COMPROBACIÓN: 2.1. En una probeta tomar 10mL de ácido acético (HCH 3 0.3M, completar 3COO) hasta 50mL con solución de acetato de sodio (NaCH 3 0.2M. Calcule el pH de 3COO) + la solución y la [H ] teórica .
CÁLCULOS: Para el caso de una solución tampón ácida Datos: 10mL
Vácido
pH = ?
H ? teórico
Cácido =0.3M Vsal
40mL
Vtotal =50mL
Csal =0.2M
La solución se diluye por lo que la nueva concentración de las nuevas soluciones serán: C1V1
C1V1
Para el ácido acético C2V2
C2
C1V 1
=
V2
0.3*10
0.06 M de ácido acético.
0.16 M de acetato de sodio.
50
Para el acetato de sodio C2V2
C2
C1V 1 V2
=
0.2*40 50
La constante de disociación del ácido es:
Ka 1.8x10
5
pKa log( Ka ) log(1.8 x10 5 ) 4.74 pH pKa log pH 4.7 4.74 log
NaCH 3COO CH 3COOH 0.16 0.06
pH 5.17 luego :
H antil ntilo og( pH ) anti antilo log( g(--5.17) .17) H 6.76x10 6
OBSERVACIÓN: Se observó que al medir el pH de la solución con el peachímetro, éste mostraba un pH = 5.05; ello nos indica 0.12 unidades menos que el pH teórico.
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
El porcentaje de error que se obtuvo en la solución es:
%e
vt
vp
*100
vt %e
5.17 5.17
5.05 5.05
*100
5.17
2.32%
2.2. Tomar 15mL de hidróxido de amonio (NH 4 4 OH) 0.5M y completar hasta 30mL con solución de cloruro de amonio (NH4Cl) 0.25M. Calcular teóricamente el pH - de la solución y [OH ] teórica.
CÁLCULOS: Para el caso de una solución tampón básica Datos: 15mL
Vbase
pH = ?
OH ? teórico
Cbase =0.5M Vsal
15mL
Vtotal =30mL
Csal =0.25M
La solución se diluye por lo que la nueva concentración de las nuevas soluciones serán: C1V1
C1V1
Para el hidróxido de amonio C2V2
C2
C1V 1
=
0.5*15
V2
0.25 M de hidróxido de amonio.
30
Para el cloruro de amonio C2V2
C2
C1V 1
=
0.25*15
V2
0.125 M de cloruro de amonio.
30
La constante de disociación de la base es:
Kb 1.85x10 5 pKb log( Kb ) log(1.85x10 5 ) 4.73 pOH pKb log pOH 4.73 .73 log
NH 4 Cl NH 4 OH 0.125 0.25
pOH 4.43 pH 14 pOH 14 4.43 9.57 luego :
OH antilog( pOH ) an antilog(-4.43) OH 3.72x105
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
OBSERVACIÓN: Se observa que el pH real de la solución medido con un peachímetro es de 8.27; es decir 1.30 unidades menos que el pH teórico. El porcentaje de error que se obtuvo en la solución es:
vt
%e
vp
* 100
vt 9.57 9.57
%e
8.2 8.27
* 100
9.57
13.58%
3. DETERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DEL pH DEL BUFFER, POR ADICIÓN DE PEQUEÑAS PEQUEÑAS CANTIDADES DE UN UN ÁCIDO O UNA BASE 3.1. A la solución preparada en 2.1, agregue 5mL de HCl 0.1M. Calcule el nuevo valor de pH de la solución y compruébelo experimentalmente. experimentalmente.
CÁLCULOS: PRIMERO: El número de moles de NaCH 3COO y CH3COOH presentes en la solución buffer son: n NaCH
3COO
nCH COOH
Msal *Vsal
0.2mol / L * 0.04 L
Mácido *Vácido
0.008moles
0.3mol / L * 0.01L
0.003moles
3
SEGUNDO: El número de moles de HCl que se adiciona al tampón es: n HCl
M HCl *VHCl
0.1mol / L * 0.005L
0.0005moles
Esta cantidad (0.0005 moles) tienen que reaccionar con los iones CH 3COO- para formar CH3COOH, según: La sal se disocia de la siguiente manera
NaAC NaAC
Na
0.008
AC
0.008
Número de moles de AC - que reaccionan con los 0.0005 moles de HCl
AC
0.0005
H
0.0005
HAC
0.0005
En la solución final tendremos: Volumen de la solución tampón = 50mL + 5mL = 55mL
n AC
0.00 0.008 8 0.00 0.0005 05 0.00 0.0075 75 moles oles de acet aceta ato de sodi sodio o
n HAC 0.00 0.003 3 0.00 0.0005 05 0.00 0.0035 35 moles oles de ácid ácido o ácet ácetic ico o
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
Las nuevas concentraciones de NaAC y HAC, en el tampón son:
HAC
0.0075moles
n
NaAC
V sol . tampón
L
55mL.
1000mL 0.0035moles
n
V sol . tampón
55mL.
L
0.136moles / Litro
0.064moles / Litro
1000mL
Finalmente el pH de esta solución será:
pH
pKa log
pH
5.07
NaCH3COO 0.136 4.74 lo log 0.064 CH3COOH
( pH teórico)
OBSERVACIONES:
En la práctica se midió el pH real de la solución, obteniéndose pH=5.03; es decir 0.04 unidades menos que el pH teórico. El pH inicial de 5.17 (pH teórico antes de añadir el HCl 0.1M) se ha reducido a 5.07 (pH teórico después después de haber haber agregado HCl HCl 0.1M). La variación ha sido sido de solo 0.1 unidades de pH; es decir, el pH de la solución permanece prácticamente constante. Este experimento manifiesta que la reducción del pH se debe a que los iones H+ del HCl reaccionan con los iones acetato, de la siguiente manera: CH 3COO
H
CH 3COOH
En la solución hay aumento de ácido acético y disminución de iones acetato, haciéndose así la solución mucho más ácida.
3.2. A la solución preparada en 2.2, agregue 5mL de NaOH 0.1M. Calcule el nuevo valor de pH de la l a solución y comprobarlo experimentalmente. experimentalmente.
CÁLCULOS: PRIMERO: El número de moles de NH 4Cl y NH4OH presentes en la solución buffer son: nNH
4
Cl
nNH OH
Msal * Vsal
0.25mol / L * 0.015 L
Mbase * Vbase
0.5mol / L * 0.015L
0.00375moles
0.0075moles
4
SEGUNDO: El número de moles de NaOH que se adiciona al tampón es: n NaOH NaOH
M NaOH * VNaOH NaOH
0.1mol / L * 0.005L
0.0005moles
Esta cantidad (0.0005 moles) reaccionará con los iones NH4 +de la solución proveniente de la disociación del NH 4Cl, ya que el NH 4OH se ioniza en muy pequeña proporción.
La sal se disocia de la siguiente manera
NH 4 Cl( ac )
0.00375
NH 4
( ac )
Cl
( ac ac )
0.00375
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
Número de moles de NH 4+ que reaccionan con los 0.0005 moles de NaOH
NH 4
OH
0.0005
NH 4 OH
0.0005
0.0005
En la solución final tendremos: Volumen de la solución tampón = 30mL + 5mL = 35mL
n
NH 4 Cl
n
NH 4 OH
0.00 0.0037 375 5 0.00 0.0005 05 0.00 0.0032 325 5 mole oles de clor clorur uro o de amonio onio 0.00 0.0075 75 0.00 0.0005 05 0.00 0.0080 80 moles oles de hidr hidróx óxid ido o de de amon amonio io
Las nuevas concentraciones de NH 4Cl y NH4OH, en el tampón son:
NH 4 Cl
n
NH 4 OH
pOH
0.00325moles
V sol . tampón
L
35mL.
0.093moles / Litro
1000mL 0.0080 moles
n
V sol . tampón
35mL.
L
0.229moles / Litro
1000mL
Finalmente el pH de esta solución será:
pKb log
NH 4 Cl 0.093 4.73 log 0.229 NH 4 OH
pOH 4.34 pH 14 4.34 9.66 (pH teórico)
OBSERVACIONES:
En el experimento se midió el pH real de la solución, obteniéndose pH=8.76; es decir 0.9 unidades menos que el pH teórico. El pH inicial de de 9.57 (pH teórico antes de añadir el NaOH 0.1M) se ha aumentado a 9.66 (pH teórico después de haber agregado NaOH 0.1M). La variación ha sido de solo 0.09 unidades de pH; es decir, el pH de la solución permanece prácticamente constante. De la misma manera el pH inicial =8.27 (pH real o práctico antes de añadir el NaOH 0.1M) ha sufrido un ligero aumento a 8.76 (pH real o práctico después de haber agregado NaOH 0.1M). Este experimento explica que elaumento ligero del pH se debe a que los iones OH-provenientes de NaOH reaccionan con los iones amonio de la solución tampón, de la siguiente manera: NH4( ac )
OH( ac )
NH 4OH ( ac )
En la solución hay aumento de hidróxido de amonio y disminución de iones amonio, de manera que esta solución se hace mucho más alcalina.
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
4. PREPARACIÓN DE UNA SOLUCIÓN TAMPÓN DE pH DEFINIDO 4.1. Prepare 80mL de un tampón de pH=5.Comprobar el pH una vez preparada la solución.
PRIMERO: Como se trata de una solución de pH ácido se emplearán las soluciones de HCH3COO 0.3M y NaCH3COO 0.2M. CÁLCULOS: Ka 1.8 x10
5
pH 5
H antilog(-pH)=antilog(-5) H 1x105 Ka
H Vsal
Vácido
sal ácido o ácid
Msal *Vsal Mácid cido *Vá Vácid cido
Ka * Mácido
H * Msal
1.8 x105 * 0.3 5 1x10 * 0.2
Vsal
2.7... 2.7...... ...... ....( .(i ) Vácido El volumen de solucc ión tampón debe ser de 80 mL Luego: Vsal+Vácido=Vtampón=80mL Vácido=(80-Vsal)mL........(ii) Finalmente (ii) en (i): Vsal 2.7 * (80 Vsal ) Vsal
216
58.38mL 3.7 Vácido 80 58.38 21.62mL
OBSERVACIÓN:
Se procede a medir 58.38mL de NaCH 3COO, luego se le añade 21.62mL de CH3COOH. Para medir el pH de la solución utilizamos el peachímetro que en este caso reportamos un pH = 4.83; es decir 0.17 unidades menos al pH teórico.
SEGUNDO: Porcentaje de error %e
%e
vt vp
* 100
vt
5 4.83 5
* 100
INGENIERÍA QUÍMICA
3.4%
SILVER G & J
UNSCH
4.2. Prepare 50mL de una solución buffer de pH=11. Comprobar el pH de la solución.
PRIMERO: Como se trata de una solución de pH básica se emplearán las soluciones de NH4OH 0.5M y NH4Cl 0.25M. CÁLCULOS: Kb 1.8 x10
5
pH 11 pOH 3
OH antilog(-pOH)=antilog(-3) OH 1x103 M ( en el tampón) Kb
OH Vsal Vbase
sal base
Msal * Vsal Mbase * V Vb base
Ka * Mbase
OH * Msal
1.8 x10 5 * 0.5 3 1x10 * 0.25
Vsal
0.036..........(i ) Vbase El volumen de solucción tampón debe ser de 50 mL Luego: Vsal+Vbase=Vtampón=50mL Vbase=(50-Vsal)mL........(ii) Finalmente (ii) en (i): Vsal 0.036 * (50 Vsal ) Vsal
1.8
1.7 mL 1.036 Vácido 50 1.7 48.3mL
OBSERVACIÓN:
Se procede a medir 1.7mL de NH 4Cl, luego se le añade 48.3mL de NH 4OH. Para medir el pH de la solución utilizamos el peachímetro que en este caso reportamos un pH = 9.49; es decir 1.51 unidades menos al pH teórico.
SEGUNDO: Porcentaje de error %e
vt
vp
* 100
vt %e
11
9.49
* 100
11
INGENIERÍA QUÍMICA
13.7%
SILVER G & J
UNSCH
4.3. Prepare 10mL 10mL de una solución tampón de pH=9.
PRIMERO: Como se trata de una solución de pH básica se emplearán las soluciones de NH4OH 0.5M y NH4Cl 0.25M. CÁLCULOS: Kb 1.8x10
5
pKb log( Kb) 5
pKb log( log(1. 1.8 8 x10 ) pKb 4.74 pH
9 pOH 5
pOH
5 4.74 log 0.26 log Vsal Vbase Vsal
Vbase
Msal *Vsal
pKb log
Mbase *Vbase Msal *Vsal
Mbase *Vbase Msal *Vsal
Mbase *Vbase 1.82* Mbase Msal 1.82*0.5 2*0.5
0.25
3.6 1
SEGUNDO: Cálculo de la fracción molar de la sal y la base 3.6
fracción de la sal =
3.6 1
3. 6
4.6
1
fracción de la base =
3.6 1
0.78
1
4.6
0.22
TERCERO: Calculamos los volúmenes a mezclar Vsal
Vbase
0.78* 0.78*1 10
0.2 0.22*10 2*10
7.8 7.8mL
2.2mL
INGENIERÍA QUÍMICA
SILVER G & J
UNSCH
4.4. Prepare 60mL 60mL de un buffer buffer de pH=3.5.
PRIMERO: Como se trata de una solución de pH ácido o solución ácida, se emplearán las soluciones de HCH 3COO 0.3M y NaCH3COO 0.2M. CÁLCULOS: Ka
1.8x10
5
pKa
log( Ka )
pKa
log( log(1. 1.8 8 x10 )
pKa
pH
pH
5
4.74
9 pOH 5 pKa log
3.5 4.74 log
1.24 log
Vsal
Vácido Vsal
Msal * Vsal Mácido * Vácido Msal * Vsal
Mácido * Vácido Msal * Vsal
Mácido * Vácido 0.0575* Mácido Msal 0.0575* 0.3
0.086
0.2
Vácido
1
SEGUNDO: Cálculo de la fracción molar de la sal y el ácido 0.086
fracción de la sal =
0.086 1
0.079
1
fracción de la base =
0.086 1
0.921
TERCERO: Calculamos los volúmenes a mezclar Vsal
Vácido
0.079* .079* 60
0.92 0.921* 1* 60
4.74 .74mL
INGENIERÍA QUÍMICA
55.2 55.26 6mL
SILVER G & J
UNSCH