Universidad de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Química Licenciatura en Ciencias, con mención en Química
Informe de Laboratorio N ° 2 “Titulación de ácidos débiles con bases fuertes”
Autores:
Álvaro Etcheverry Berríos Marcelo Campos Palma
OBJETIVOS Los objetivos de esta sesión son: •
Utilizar un pH-metro en la titulación de HCl y NaOH de concentración similar.
•
Utilizar un pH-metro en la titulación de ácidos débiles y NaOH.
•
Construir curvas teóricas y experimentales de las titulaciones.
•
Dar respuesta a las preguntas del laboratorio 1 que quedaron pendientes.
•
Utilizar las técnicas aprendidas en esta sesión para la determinación de la concentración de una muestra problema.
RESULTADOS i) En primer lugar se tituló 20 mL HCl 0,1046 M con NaOH 0,0999 M, correspondiente a la parte pendiente del laboratorio 1. Se obtuvieron los siguientes resultados: mL de NaOH utilizado 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 21 21.5 21.7 22 22.1 22.4 22.5 22.7 22.8
pH
1.56 1.6 1.65 1.71 1.77 1.86 1.96 2.13 2.4 4.45 5.73 5.98 6.1 6.21 6.24 6.35 6.39 6.43 6.47
mL de NaOH utilizado 23 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 24 24.5 25 26 28 30 32
pH
6.55 6.58 6.62 6.65 6.7 6.81 6.92 7.14 7.2 7.51 8.21 9.05 9.44 9.95 10.26
2
6.52
22.9
Experimental Teorico
15
10
H p
5
0 0
10
20
30
NaOH 0,0999 M (mL)
Gráfico N°1: Curvas de valoración experimental y teórico de HCl con NaOH Preguntas a consideración: 1.- Construya una curva teórica de una titulación para la neutralización de 50 mL de HCl 1,0 N con NaOH 1,0 N, basándose en las relaciones que a continuación se indica: 2.- La concentración de ión hidrógeno puede calcularla de la siguiente expresión para antes del punto de equivalencia:
3.- De acuerdo a esta expresión, calcule el pH en los siguientes puntos: a) b) c) d) e) f) g)
Antes de haber agregado NaOH Después de haber agregado 20 mL de NaOH Después de haber agregado 40 mL de NaOH Después de haber agregado 49 mL de NaOH Después de haber agregado 49,9 mL de NaOH Después de haber agregado 49,999 mL de NaOH Al agregar 50 mL, el pH determinado en este punto. ¿A qué especie corresponde?
3
Volumen NaOH [mL] 0 20 40 49 49,9 49,999 50
[H+]
pH
1 0,42 0,11 0,01 1x10-3 5x10-6 2x10-7
0 0,37 0,95 1,99 2,99 5,03 6,69
El pH corresponde al punto de equivalencia o punto final de la titulación, ya que en una titulación ácido fuerte-base fuerte, el punto final de la titulación o valoración es el punto en el que el pH de la mezcla es justamente igual a 7, por lo cual se puede afirmar que si el experimento se realizara con un indicador, es a este volumen donde se efectuaría el cambio de coloración. 4.- Para después del punto de equivalencia, la concentración del ión OH- puede calcularla de acuerdo a la siguiente expresión.
Además se debe considerar que pOH= - log [OH-] y pH= 14 – pOH 5.- Haciendo uso de esta relación, calcule el pH en los siguientes puntos de la titulación: a) b) c) d) e) f)
Después de haber agregado 50,1 mL de NaOH Después de haber agregado 50,2 mL de NaOH Después de haber agregado 50,5 mL de NaOH Después de haber agregado 51,0 mL de NaOH Después de haber agregado 60,0 mL de NaOH Después de haber agregado 75,0 mL de NaOH Volumen NaOH [mL] 50,1 50,2 50,5 51,0 60,0 75
[OH-]
pOH
pH
9,99x10-4 1,99x10-3 4,97x10-3 9,9x10-3 0,09 0,2
3 2,7 2,4 2,01 1,05 0,69
11 11,3 11,6 11,99 12,95 13,31 4
6.- Grafique pH vs volumen de NaOH agregados en mL.
pH
12
H p
6
0
0
30
60
Volumen NaOH 1N (mL)
Gráfico N°2: Curva de valoración teórica de HCl 1N con NaOH 1N
7.- Dado los siguientes indicadores:
P. Ácido Rojo
Anaranjado de metilo Rojo de Rojo metilo Paranitrofen Incoloro ol Fenolftaleína Incoloro Timolftaleína Incoloro
P. Básica Amarillo
Rango de viraje 3,4 4,3
Amarillo
4,2
6,2
Amarillo
5,0
7,0
Rosado Azul
8,0
9,6 10,6
9,3
Elija el/los indicador(es) para titular HCl 1N con NaOH 1N. Para saber que indicador utilizaremos primero debemos observar en que rangos se observa el salto de pH, según lo observado esto ocurre entre pH 2 -11. A continuación veremos el rango de 5
viraje de cada indicador, los cuales en este caso se pueden ocupar todos ya que todos están dentro de ese rango de viraje. 8.- Siguiendo el mismo esquema anterior, construya las curvas de titulación para HCl 0,1 N con NaOH 0,1 N y de HCl 0,01 N con NaOH 0,01 N y compare el efecto de la concentración en las curvas. 9.- ¿El indicador utilizado para las tres titulaciones, puede ser el mismo? De acuerdo a lo observado en las curvas de titulación de las distintas concentraciones el rango de viraje de las 3 coincide entre pH 5 y 10, y de acuerdo a eso solo podrían ser útil en las 3 titulaciones el p-nitrofenol o la fenolftaleína dado que son los únicos indicadores que tienen un rango de viraje dentro de ese rangos mientras que los otros indicadores no abarcan completamente ese rango. 10.- Compare una curva teórica de HCl 10-5M construida usando las expresiones de la guía y la ecuación exacta. ¿A qué atribuye estas diferencias? Volumen de NaOH (mL)
[H+]
pH
0 0,005 0,01 0,015 0,019 0,0199 0,01999 0,02 0,0201 0,0202 0,0205 0,021 0,03 0,05
1,5x10-5 9,0x10-6 5,0x10-3 2,14x10-6 4,19x10-7 1,26x10-7 1,02x10-7 0 1,26x10-7 1,51x10-7 2,4x10-7 3,98x10-7 3,02x10-6 6,46x10-6
4,82 5,04 5,03 5,67 6,37 6,96 6,99 7 7,10 7,18 7,38 7,60 8,48 8,81
6
pH 10
8
H p
6
4 0.00
0.01
0.02
NaOH (mL)
Gráfico N°3: Curva de valoración de HCl 10-5 M Si observamos el grafico vemos que el salto en el pH es muy insignificante, ocurre entre 6 y 8 y como vimos anteriormente no hay ningún indicador dentro de ese rango y por lo tanto esta titulación no se podría realizar de forma volumétrica, y por lo mismo se debe hacer de forma pH métrica. ii) En segundo lugar se titularon 20 mL de distintos ácidos débiles 0,1 M con NaOH 0,0999 M; estos ácidos son: a) b) c) d)
Ácido Acético con un pKa teórico de 4,75. Ácido Fórmico con un pKa teórico de 3,73. p-Nitrofenol con un pKa teórico de 7,2. Glicina con un pKa teórico de 9,78. Estas soluciones ya estaban preparadas.
Se obtuvieron los siguientes resultados:
7
a) Ácido Acético 0,1 M: mL de NaOH utilizado 0.5 1 1.5 2 3 7 9 12 16.1 18 20 20.5 21 21.5 22 22.5 22.9
pH
mL de NaOH utilizado 23.1 23.3 23.6 23.8 24 24.1 24.2 24.3 24.4 24.7 25 25.4 25.6 25.8 26 26.2 26.4
3.21 3.44 3.61 3.72 3.94 4.43 4.62 4.9 5.35 5.63 6.01 6.12 6.25 6.34 6.44 6.61 6.69
pH
6.71 6.76 6.84 6.91 6.99 7.03 7.07 7.14 7.17 7.32 7.53 7.97 8.29 8.73 8.9 9.08 9.23 Experimental Teorico
15
10
H p
5
0 0
10
20
30
NaOH 0,0999 M (mL)
Gráfico N°4: Curvas de valoraciones experimental y teórico del Ác. Acético 0,1 M.
b) Ácido Fórmico 0,1 M: 8
mL de NaOH utilizado 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 25 26 26.5 27 27.2 27.4 27.5 27.6 27.7 27.8 27.9 28
pH
3.35 3.5 3.63 3.77 3.9 4.03 4.16 4.31 4.46 4.64 4.84 5.32 5.67 6.06 6.18 6.33 6.39 6.44 6.47 6.49 6.52 6.55 6.58 6.61
mL de NaOH utilizado 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8 28.9 29 29.1 29.2 29.4 29.6 29.8 30 30.5 31 31.5 32 33 34 36
pH
6.64 6.67 6.7 6.75 6.78 6.81 6.83 6.87 6.9 6.95 6.99 7.03 7.08 7.16 7.23 7.3 7.54 7.83 8.55 9.17 9.73 9.94 10.26 Experimental Teorico
15
10 H p
5
0
20
40
NaOH 0,0999 M (mL)
9
Gráfico N°5: Curvas de valoraciones experimental y teórico del Ác. Fórmico 0,1 M. c) p-Nitrofenol 0,1 M: mL de NaOH utilizado 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
pH
mL de NaOH utilizado 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.5 5 6 7 8 10
6.6 6.73 6.81 6.86 6.9 6.94 6.97 6.99 7.02 7.04 7.07
pH
7.11 7.15 7.18 7.23 7.26 7.33 7.39 7.51 7.61 7.72 7.9 Experimental Teorico
13.6 12.8 12.0 11.2 10.4 H p
9.6 8.8 8.0 7.2 6.4 5
10
15
20
25
30
NaOH 0,0999 M (mL)
Gráfico N°6: Curvas de valoraciones experimental y teórico del p-Nitrofenol 0,1 M. d) Glicina 0,1 M: mL de NaOH utilizado 0.1 0.2 0.5
pH
7.32 7.79 8.34
mL de NaOH utilizado 1 2 4
pH
8.81 9.29 9.71
10
Experimental Teorico
15
12
H p
9
0
5
10
15
20
25
30
NaOH 0,0999 M (mL)
Gráfico N°7: Curvas de valoraciones experimental y teórico de la Glicina 0,1 M. iii) En tercer lugar se tituló una muestra problema para cada “autor” se obtuvieron: Muestra nº2, Autor: Marcelo Campos Se obtuvieron los siguientes resultados: 10 mL Muestra Problema nº2 mL de NaOH utilizado
pH=3, 13 pH 1 1,5 2 3 4 5 7 8 10 11 12 13 13,5 14 14,5 15
3,67 3,87 4,02 4,26 4,43 4,62 4,94 5,14 5,59 5,95 6,33 6,76 7,04 7,45 8,94 9,31
11
A continuación se grafica la curva experimental: pH 10
8
H p
6
4
0
7
14
NaOH 0,0999 M (mL)
Con una concentración de 0,0675 M Muestra nº22, Autor: Álvaro Etcheverry Se obtuvieron los siguientes resultados: 20 mL Muestra pH=3, Problema nº22 04 mL de NaOH utilizado pH 1 3,91 4,42 2 4,89 3 5,56 4 6,08 4,5 4,6 6,21 6,3 4,7 4,8 6,46 6,62 4,9 5 6,73 7,08 5,1 5,2 7,29 7,89 5,3 5,4 8,55 8,71 5,5 9,41 6
12
7
9,89
A continuación se grafica la curva experimental: pH 10
8
H p
6
4
0
7
14
NaOH 0,0999 M (mL)
Con una concentraci ón de 0,044 M DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN Tanto en el laboratorio 1 como en el 2, realizamos la valoración de ácidos fuertes (HCl) con bases fuertes (NaOH), en el 1 volumétricamente con un indicador y en el 2 con un pH-metro, Correspondiente netamente al laboratorio 2 hicimos titulaciones de ácidos débiles, con una base fuerte (NaOH), determinando pH-métricamente la región donde la curva experimenta un cambio brusco de pH a un determinado volumen, aquí ocurre la neutralización de la solución, para el caso de la titulación de HCl con NaOH. Observamos un punto inicial, que a volumen 0 de NaOH el pH estará determinado por el negativo del logaritmo de la raíz de la constante de equilibrio, por la concentración inicial del acido. También observamos un punto donde el pH es igual al pKa, ese punto es el punto de equivalencia medio. En el punto de equivalencia el pH se comporta como tampón (región donde existe un salto en la curva de la grafica). En la parte final el pH estará determinado principalmente por la concentración de hidróxido.
BIBLIOGRAFÍA •
•
HARRIS, D., Análisis químico cuantitativo, capítulo 7: Valoraciones, páginas: 128-143, 3° Edición, 2003. HARRIS, D., Análisis químico cuantitativo, capítulo 12: Valoraciones ácido-base, páginas: 224-246, 3° Edición, 2003.
13
•
SKOOGE, D., Fundamentos de Química analítica, capítulo 14: Principios de valoración ácido-base, páginas: 373-393, 8º edición, 2005.
14
