Sustancias patrones para estandarización de ácidos y bases En química analítica un estándar es una preparación que contiene una concentración conocida de un elemento o sustancia específica.
Patrón primario
Un patrón primario también llamado estándar primario es una sustancia utilizada en química como referencia al momento de hacer una valoración o estandarización. Usualmente son sólidos que cumplen con las siguientes características: 1. Tienen composición conocida. Es decir, se ha de conocer la estructura y elementos que lo componen, lo cual servirá para hacer los cálculos estequiométricos estequiométricos respectivos. 2. Deben tener elevada pureza. Para una correcta estandarización se debe utilizar un patrón que tenga la mínima cantidad de impurezas que puedan interferir con la titulación. 3. Debe ser estable a temperatura ambiente. No se pueden utilizar sustancias que cambien su composición o estructura por efectos de temperaturas que difieran ligeramente con la temperatura ambiente ya que ese hecho aumentaría el error en las mediciones. 4. Debe ser posible su secado en estufa. Además de los cambios a temperatura ambiente, también debe soportar temperaturas mayores para que sea posible su secado. Normalmente debe ser estable a temperaturas mayores que la del punto de ebullición del agua. 5. No debe absorber gases. Ya que este hecho generaría posibles errores por interferentes así como también degeneración del patrón. 6. Debe reaccionar rápida y estequiométricamente con el titulante. De esta manera se puede visualizar con mayor exactitud el punto final de las titulaciones por volumetría y entonces se puede realizar los cálculos respectivos también de manera más exacta y con menor incertidumbre. 7. Debe tener un peso equivalente grande. Ya que este hecho reduce considerablemente el error de la pesada del patrón.
Patrón secundario
El patrón secundario también es llamado estándar secundario y en el caso de una titilación suele ser titulante o valorante. Su nombre se debe a que en la mayoría de los casos se necesita del patrón primario para conocer su concentración exacta. El patrón secundario debe poseer las siguientes características: 1. Debe ser estable mientras se efectúa el análisis 2. Debe reaccionar rápidamente con el analito 3. La reacción entre el valorante y el patrón primario debe ser completa o cuantitativa, y así también debe ser la reacción entre el valorante y el analito. 4. La reacción con el analito debe ser selectiva o debe existir un método para eliminar otras sustancias de la muestra que también también pudieran reaccionar con el valorante. 5. Debe existir una ecuación balanceada que describa la reacción
Propiedades de los ácidos y bases Los ácidos son sustancias que... Colorean de forma característica a ciertas sustancias llamadas "indicadores". Por ejemplo, enrojecen al tornasol y decoloran la fenolftaleína enrojecida. Producen efervescencia al contacto con el mármol. Reaccionan con algunos metales desprendiendo hidrógeno. En disolución diluida tienen sabor picante característico, pero si están concentrados destruyen los tejidos biológicos vivos. Transmiten la corriente eléctrica, descomponiéndose a su paso.
Las bases... Cambian de color a los indicadores tratados previamente con ácidos. En disolución, presentan sabor amargo (a lejía); también destruyen los tejidos vivos y conducen la corriente eléctrica. Anulan ("neutralizan") el efecto de los ácidos. Generan precipitados (sustancias en fase sólida en el seno de un líquido) al ser puestas en contacto con ciertas sales metálicas (por ejemplo, de calcio y de magnesio). Tanto ácidos como bases se encuentran en gran cantidad en productos usados en la vida cotidiana, para la industria y la higiene, así como en frutas y otros alimentos, mientras que el exceso o defecto de sus cantidades relativas en nuestro organismo se traduce en problemas de salud.
Equivalente Peso equivalente, también conocido como equivalente gramo, es un término que ha sido utilizado en varios contextos en química. En la mayor parte de los usos, es la masa de un equivalente, que es la masa de una sustancia dada que: Se deposita o se libera cuando circula 1 mol de electrones Sustituye o reacciona con un mol de iones hidrógeno (H+) en una reacción ácido-base; o Sustituye o reacciona con un mol de electrones en una reacción redox.1 El peso equivalente tiene dimensiones y unidades de masa, a diferencia del peso atómico, que es una magnitud adimensional. Los pesos equivalentes fueron determinados originalmente de forma experimental, pero (tal como se utilizan ahora) se obtienen de las masas molares. Uso en química general El uso de los pesos equivalentes en la química general ha sido prácticamente sustituido por el uso de las masas molares. Los pesos equivalentes pueden calcularse a partir de las masas molares, si la química de la sustancia es bien conocida: El ácido sulfúrico tiene una masa molar de 98.078(5) g.mol-1, y suministra dos moles de iones de hidrógeno por mol de ácido sulfúrico, por lo que su peso equivalente es 98.078(5) mol-1/2 eq.mol-1 = 49.039(3) g.eq-1. El permanganato de potasio tiene una masa molar de 158.034(1) g.mol-1, y reacciona con cinco moles de electrones por mol de permanganato de potasio, así que su peso equivalente es 158.034(1) g.mol-1 /5 eq.mol-1 = 31.6608 (3) g.eq-1. Históricamente, el peso equivalente de los elementos fue determinado a menudo estudiando sus reacciones con el oxígeno. Por ejemplo, 50 g de cinc reaccionarán con oxígeno para producir 62.24 g de óxido de cinc, lo que implica que el cinc ha reaccionado con 12.24 g de oxígeno (según la Ley de conservación de la masa): el peso equivalente del cinc es la masa que reacciona con 8 gramos de oxígeno, por tanto 50 g × 8 g/12.24 g = 32.7 g.
Partes por millón Partes por millón (ppm), es una unidad de medida de concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de la sustancia (agente, etc.) que hay por cada millón de unidades del conjunto. Por ejemplo en un millón de granos de arroz, si se pintara uno de negro, este grano representaría una (1) parte por millón. Se abrevia como "ppm". Características
Es un concepto análogo al de porcentaje, sólo que en este caso no es partes por ciento sino por millón. De hecho, se podría tomar la siguiente equivalencia: 10.000 ppm = 1 % Es decir que 10.000 ppm equivalen al uno por ciento. De lo anterior, se puede deducir que esta unidad es usada de manera análoga al porcentaje pero para concentraciones o valores mucho más bajos. Por ejemplo cuando se habla de concentraciones de contaminantes en agua o en aire, disoluciones con muy bajas concentraciones o cantidad de partículas de polvo en un ambiente, entre otros. Un ejemplo podría ser las mediciones de concentración de un contaminante en el aire cuyo valor máximo permisible sea 500 ppm. Tratar de escribir eso en porcentaje sería poco práctico pues sería mucho menor a 1 %. En el caso de disoluciones acuosas, una parte por millón (1 ppm) equivale a un miligramo de soluto por l itro de disolución. O lo que es lo mismo, un microgramo de soluto por mililitro:
ANÁLISIS VOLUMÉTRICO En el análisis volumétrico se mide el volumen de una disolución de concentración exactamente conocida (disolución estándar) que se necesita para reaccionar, de forma completa, con el analito (sustancia a analizar). Los métodos volumétricos tienen la misma exactitud que los gravimétricos, pero tienen la ventaja de ser más rápidos y cómodos. Además, la misma naturaleza de estos métodos permite trabajar con muestras más pequeñas o con disoluciones más diluidas. Condiciones que deben cumplirse en la reacción química Las condiciones que debe reunir una reacción química para poder ser utilizada como base en un método volumétrico son: • Debe ser completa, es decir cuantitativa •Ser rápida •Ser estequiométrica, es decir debe existir una reacción bien definida y conocida entre el analito y el reactivo valorante. • Debe existir un procedimiento sencillo para poner de manifiesto el punto final dela valoración. Clasificación de los métodos volumétricos Los métodos volumétricos de análisis, se clasifican principalmente en función del tipo de reacción química utilizada, dividiéndose en cuatro clases principales: •Valoraciones ácido-base . Se efectúa una reacción de neutralización en la cual un ácido reacciona con una cantidad equivalente de base, formando una sal y agua. El valorante es siempre un ácido o una base fuerte, siendo el analito una base o ácido fuerte o débil. Si colocamos una disolución de una base en un vaso, y un ácido en una bureta, al ir añadiendo, gota a gota, el ácido sobre la base, ésta se irá neutralizando hasta llegar a un punto (punto estequiométrico) en el que ha reaccionado toda la base, equivalente a equivalente, con el ácido; si seguimos añadiendo ácido aparecerá un exceso del mismo. En el punto estequiométrico se cumple que el número de equivalentes del ácido es igual al número de equivalentes de la base: # de eqác= Nác·Vác= Nb·Vb= # de eqb El cambio de pH es muy brusco en el punto estequiométrico y puede observarse por medio de indicadores
Las curvas de valoración se construyen representando el pH de la disolución frente al volumen de reactivo añadido. Los indicadores utilizados suelen ser ácidos o bases débiles de intensos colores. Las reacciones de valoración ácido-base deben darse entre un ácido y una base fuerte, entre un ácido fuerte y una base débil o entre un ácido débil y una base fuerte. No pueden usarse reacciones de valoración que involucren dos especies débiles debido a que el valor de constante de equilibrio para estas reacciones es mucho menor que107. Por eso, en valoraciones ácido-base, se utilizan soluciones diluidas de ácidos fuertes. Valoraciones de oxidación-reducción . En este tipo de valoraciones se produce una reacción de transferencia de electrones entre el analito (sustancia a valorar) y el agente valorante. El número de electrones cedidos por el reductor ha de ser igual al número de electrones tomados por el oxidante, de tal forma que el balance electrónico total de la reacción es cero. En el punto estequiométrico se cumple que el número de equivalentes del reductor es igual al número de equivalentes del oxidante: # de eqred= Nred·Vred= Nox·Vox= # de eqox La reacción que discurre entre ambos debe ser de cinética alta, puesto que de su velocidad depende la obtención de buenos resultados. Por otra parte debe disponer e de un medio que permite observar el punto final de la valoración. Estos indicadores pueden ser de muy diversos tipos, pero por lo general, son sustancias con características redox y cuya forma oxidada y reducida tienen diferente color. El valor del potencial normal del indicador tiene que estar entre los potenciales normales de los dos sistemas, para que viere cerca del punto de equivalencia de la valoración. Valoraciones de precipitación . Están basadas en reacciones en las que se forman compuestos de baja solubilidad. La mayoría de los precipitados se forman lentamente lo que hace que se disponga de pocos agentes precipitantes para su aplicación en valoraciones. El nitrato de plata es el reactivo precipitante más importante y uno de los más utilizados en la determinación de halogenuros, SCN-, CN- y CNO-. Los métodos volumétricos que utilizan el nitrato de plata como agente valorante reciben el nombre de argentométricos .• Valoraciones de formación de complejos. Los reactivos que forman complejos se utilizan ampliamente en la valoración de cationes metálicos. Los más empleados son compuestos orgánicos que tienen varios grupos donadores de electrones capaces deformar numerosos enlaces covalentes con iones metálicos. Como indicadores químicos se utilizan colorantes orgánicos que forman quelatos coloreados con los iones metálicos. El negro de eriocromo T es de los más utilizados, cuyos complejos con lociones metálicos son generalmente rojos, presentado un cambio de coloración en función del pH del medio en el que se realice la valoración puesto que la especie libre es roja/azul/naranja en función de que estemos a pH<6.3, 6.3
11.6respectivamente. Cálculos en análisis volumétrico Una unidad de concentración muy útil en cálculos volumétricos es la unidad en denominada Normalidad, que emplea el concepto de equivalentes y peso equivalente. La concentración normal depende de la reacción en particular, y es necesario especificar dicha reacción. Su principal ventaja frente a otras expresiones de concentración radica en que para toda reacción un equivalente de A reacciona con uno de B y además si las disoluciones tienen la misma normalidad, un volumen de la sustancia A reacciona con el mismo volumen de la sustancia B.
