CIENCIA    BÁSICA

EXPERIMENTAL  PARA

ESTUDIANTES    DE

INGENIERÍA    QUÍMICA

 

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TITULACIÓN  POTENCIOMÉTRICA[*]


                                                       Estudio de una titulación potenciométrica en una reacción de neutralización

               INTRODUCCIÓN

              La naturaleza de las sustancias es uno de los temas más estudiados por la química, ya que de acuerdo a ésta, los tipos de reacciones se determinan de acuerdo a la forma en que se presentan los reactivos en un proceso.

La titulación es un método para determinar la cantidad de una sustancia presente en solución. Una solución de concentración conocida, llamada solución valorada, se agrega con una bureta a la solución que se analiza. En el caso ideal, la adición se detiene cuando se agrega la cantidad de reactivo determinada y especificada por la siguiente ecuación.

NA VA = NB VB

A esta condición se le llama punto de equivalencia (Umland, 2000, p.139 )

En términos generales la reacción entre cantidades equivalentes de ácidos y bases se llama neutralización o reacción de neutralización, la característica de una reacción de neutralización es siempre la combinación de hidrogeniones que proceden del ácido, con hidroxiliones procedentes de la base para dar moléculas de agua sin disociar, con liberación de energía calorífica como calor de neutralización y formación de una sal, generalmente de acuerdo a la expresión general siguiente:

Ácido + Base →Sal + Agua

Un caso particular de reacción ácido - base, es la siguiente.

HNO3(ac)  + NaOH (ac) → NaNO3(ac) + H2O(l)

Así pues, la titulación es un proceso en el cual la solución estándar (del patrón primario) se combina con una solución de concentración desconocida para determinar dicha concentración, la curva de titulación es la gráfica que indica cómo el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma .

Para realizar un esbozo de las principales técnicas electroanalíticas, es preciso tener en cuenta las propiedades que se están midiendo. Por ello, los métodos básicos que deben listarse son: las técnicas voltamétricas, la conductrimetría, la electrogravimetría y la culombimetría. Estas dos últimas opciones, además, son conocidas como técnicas crono, justamente porque tienen la capacidad de medir la magnitud electroquímica en función directa con el tiempo. En general, es importante destacar que todas estas técnicas tienen en común su gran selectividad, así como también una adecuada sensibilidad. Como si todo esto fuera poco, el costo a la hora de ser aplicadas es infinitamente inferior al de otros métodos disponibles.

La potenciometría es una de las tantas técnicas abarcadas por la electroanalítica para la determinación de la cantidad de esa sustancia presente en una solución. Antes de referirnos a ella en detalle, es importante conocer en qué consiste efectivamente un método electroanalítico, que por otra parte, no presenta características unívocas sino que pueden subdividirse en diferentes sistemas o procedimientos.

Los métodos de rasgos electroanalíticos son procesos instrumentales empleados para distintos análisis. Asimismo, utilizan todas las propiedades electroquímicas con las que cuenta una determinada solución para precisar debidamente la concertación que ésta posee de un analito. Por otra parte, las técnicas que se emplean son vastas y comprenden las siguientes: electrogravimetría, polarografía, conductimetría, amperometría, voltametría, cronoamperometría, culombimetría, cronoculombimetría y la potenciometría. Además de esto, toda la amplia gama de magnitudes electroquímicas que pueden ser empleadas o que pueden relacionarse con los métodos electroanalíticos también son muchas, de los cuales podemos destacar el grado de intensidad de la corriente eléctrica, el potencial de electricidad con el que se cuenta, la carga eléctrica, la resistencia eléctrica, la masa que se puede acumular en un determinado electrodo y, asimismo, el tiempo, que es un factor que hay que tener siempre en cuenta.

Función primordial de la potenciometría

Esta técnica es utilizada para determinar la concentración de una especie electroactiva o de una disolución, empleando dos elementos fundamentales. Por un lado, utiliza un electrodo de referencia. Con este nombre se indica al electrodo que posee de manera inherente un potencial constante y conocido en relación con el tiempo. Así mismo se requiere de la presencia de un electrodo de trabajo. Este tipo de electrodo se caracteriza por contar con una gran sensibilidad en relación con la especie electroactiva. Estos electrodos de trabajo presentan una amplia gama de variedades, los podemos encontrar con distintos modelos y clases.

En esta técnica también entra en juego otro factor indispensable. Se trata de los electrodos selectivos. Los mismos, como su nombre lo adelanta, se encargan de la selección de los iones ( por eso se los conoce con la sigla ESI ) y también son denominados como electrodos de membrana. Además de esta opción hay otra más que se emplea en la potenciometría: los electrodos de pH, que son elaborados a través de un material de fibra de vidrio. Cabe mencionarse que éstos comenzaron a ser empleados a comienzos del siglo XX y evolucionaron tanto que actualmente se constituyen en el modelo más requerido a la hora de emplear la técnica electroanalítica. Otros electrodos que son considerados como apropiados para aplicar la potenciometría son, por mencionar algunos ejemplos, los electrodos de membrana de cristal, los electrodos confeccionados en vidrio, los que cuentan con una membrana en estado líquido, los que tienen una membrana polimérica y aquellos que son metálicos.

Existen dos métodos principalmente para realizar mediciones potenciométricas.  El primero es hacer una sola medición de potencial de la celda, se llama potenciometría directa y se utiliza principalmente para calcular el pH de solución acuosa.  En el segundo, el ión se puede titular y el potencial se mide en función del volumen del titulante y se le llama titulación potenciométrica la cual utiliza la medición de un potencial para detectar el punto de equivalencia de una titulación.  El único requisito es que la reacción incluya un aumento o disminución de un ión sensible el electrodo. En una titulación potenciométrica directa el punto final de la reacción se detecta determinando el volumen en el cual ocurre un cambio de potencial relativamente grande cuando se adiciona el titulante.

Para determinar el punto de equivalencia, podemos utilizar el potenciómetro, el cual nos permite generar la curva de titulación potenciométrica de la  reacción cuya gráfica resulta de la medición del pH del sistema contra el volumen de ácido o de base agregados en la titulación (Umland, 2000, p.602).

Entonces podría entenderse como final de la titulación al momento en que el pH llegase a 7, sin embargo esto NO siempre es ciento, esto más bien, está en función de la “fuerza del ácido o la base que se está titulando.

Así cuando la neutralización se produce entre un ácido fuerte y una base fuerte. El pH en el punto de equivalencia es 7 ya que todos los iones han sido neutralizados.

Por otra parte, cuando la reacción ocurre entre una base fuerte y un ácido débil, el anión del ácido sufre una hidrólisis, por lo que el pH al que ocurre la neutralización es mayor que 7. Y en la situación contraria, entre ácido fuerte y una base débil, el catión de la base sufre una hidrólisis produciéndose iones hidrónio, por lo que el pH es menor que 7. Éste último caso es el estudiado experimentalmente con el HCl y Na2CO3[1],  y presentará una posible curva de titulación con una gráfica como la siguiente:

Como se observa, la concentración de los iones hidrónio, antes de agregar el ácido y comenzar la titulación corresponde a la concentración de iones hidrónio de la solución de la base débil. A medida que se agrega el ácido, la base débil se transforma en su sal, la solución contiene la base débil y la sal del ácido fuerte, y por consiguiente está amortiguada.

El primer punto de equivalencia corresponde a un volumen agregado de ácido, el cual ha neutralizado únicamente una parte de todo el carbonato, y es hasta el segundo punto, donde el carbonato de sodio pierde sus propiedades. ¡Está totalmente! neutralizado. Aquí existe una vertical que  contiene el punto de equivalencia, correspondiente al equilibrio. determinación que se realiza mediante la utilización de la primera derivada. La valoración del carbonato sódico no puede realizarse con la exactitud que exige una normalización; por ello se valora siempre el segundo equivalente de hidrógeno (Ayres, 1970, p 334)

Para llevar a cabo ésta reacción, es indispensable comprender que las normalidades de los reactivos y el volumen de éstos son proporcionales entre un ácido y una base.  Háblese así de la fórmula:

NA VA = NB VB

Y si en éste proyecto experimental, se utilizara una base 0.1N, en un volumen de 50 mL, y ésta fuese neutralizada con 25 mL de ácido. Por lo tanto, a manera de hipótesis, se establece que la normalidad del ácido es  0.2 N al reaccionar en éste sistema.


[*]Simulador de una titulación potenciométrica. ¡¡¡Con toda confianza!!!,  lo puedes descargar o ejecutar: Download or Start

                    1. Una vez descargado o ejecutado, da clic al dibujo del magneto.
                    2. Da clic repetidas veces a la válvula de la bureta.
                    3. Observa la gráfica de la titulación.


[1] Na2CO se comportará como patrón primario. Por lo cual cumple con lo siguiente

 
                    1. Elevada pureza.
                    2. Estabilidad frente a los agentes atmosféricos.
                    3. Ausencia de agua de hidratación.
                    4. Fácil adquisición y precio módico.
                    5. Un peso equivalente elevado, para disminuir los errores asociados a la pesada.

OBJETIVO 

El objetivo principal que se pretende lograr en éste experimento es que el alumno determine  la concentración de una sustancia mediante un proceso químico (valoración de un ácido fuerte con un patrón primario) por ejemplo:

HCl (ac)  +  Na2CO3(ac)  →   NaCl (ac) +  CO2(g)  +  H2O(l)

aplicando la técnica de titulación potenciométrica, así como determinar la exactitud y precisión de la titulación.

Para ello se introducirá al alumno en el manejo de los conceptos de ácidos y bases, concentración, peso equivalente, en sus clases de química. Se indicará al alumno la búsqueda de información, para llevar a cabo una titulación potenciométrica, así como la determinación del punto de equivalencia por el método de la primera y segunda derivada, etc. Determinando para ello los valores del pH del sistema vs. volumen de reactivo utilizado, y posteriormente graficándolos para calcular el punto de equivalencia y por ende la concentración de la sustancia. 

 JUSTIFICACIÓN 

Este proyecto experimental tiene como finalidad que el alumno evoque los conocimientos adquiridos en Química, en lo referente a los conceptos de ácidos y bases, concentración, peso equivalente aplicados a una titulación potenciométrica. De la asignatura de Matemáticas en lo referente a la  determinación del punto de equivalencia por el método de la primera y segunda derivada, etc. Así mismo de la aplicación del paquete Excel de Microsoft a una serie de valores reales obtenidos experimentalmente por ellos mismos,  programando y aplicándoles el concepto de primera y segunda derivadas para determinar el punto de equivalencia de la reacción Ácido - Base y que constituye el sistema real empleado para tal fin.

                PROYECTO EXPERIMENTAL

               Determinación de la concentración de una sustancia mediante un proceso químico

HCl (ac)  +  Na2CO3(ac)  →   NaCl (ac) +  CO2(g)  +  H2O(l)

valoración de un ácido fuerte con un patrón primario  

DISEÑO EXPERIMENTAL

MATERIALES                                        REACTIVOS

Desecador

Ácido Clorhídrico (HCl (ac))

Cápsula de porcelana

Carbonato de sodio (Na2CO3(ac))

Pinzas para crisol

Agua destilada

Pesa filtros

Soluciones Buffer

Balanza

Mufla

Pipeta

Matraces

Soporte universal

Pinzas dobles

Bureta

Potenciómetro

Vasos de precipitados

METODOLOGÍA: Para la deshidratación del Na2CO3. Pesar 3g de carbonato de sodio, colocarlos en el crisol dentro de la mufla durante 1 hora, controlando la temperatura sin que rebase los 250 °C, y finalmente guardar el carbonato deshidratado dentro del pesa filtros, y éste en un desecador.

METODOLOGÍA: Para la elaboración de las soluciones. Aforar a 500mL 4mL de ácido clorhídrico, y guardar éste ácido en un recipiente de plástico. Posteriormente aforar a 50mL aproximadamente 0.03g de carbonato sódico.

METODOLOGÍA: Para la determinación de la curva de titulación. Montar el dispositivo, colocar en la bureta el ácido clorhídrico HCl (ac) (40mL), en el vaso de precipitados él Na2CO3(ac) (50mL).  Disponer el electrodo del   potenciómetro[2] (previamente calibrado) dentro de la solución básica, agregar lentamente el ácido clorhídrico, y registrar los cambios de pH y volumen (mínimo 50 datos). Repetir el procedimiento anterior por cinco veces, variando las cantidades de carbonato dentro del rango de la primera pesada.
 


[2] El potenciómetro es un aparato para medir voltaje que está diseñado para utilizar celdas de resistencia elevada. Los instrumentos de lectura directa son voltímetros electrónicos con una resistencia de entrada elevada; el circuito está diseñado para dar una lectura proporcional al pH. (...) con un error de 0.5% a 1.000 V.


CUESTIONARIO

  1. ¿Qué es un potenciómetro?

  2. ¿Qué es una titulación potenciométrica?

  3. ¿Qué es una solución amortiguadora?

  4. ¿Menciona los electrodos de referencia utilizados comúnmente en el laboratorio.

  5. ¿Cuáles son los cuidados que se le deben dar a los electrodos?

 PRECAUCIONES

Varios son los factores que debemos observar en las soluciones de ácido, entre las más importantes se encuentran las siguientes:

1.- La pureza del ácido, la cual una vez conocida, nos permite preparar las soluciones en una concentración conocida.

2.- Al momento de preparar la solución  (HCl (ac)), tener la precaución de verter el ácido sobre el agua.

El experimento requiere que al utilizar el potenciómetro, la medición de los volúmenes de reacción sean pequeños de tal manera que nos permitan registrar variaciones de pH también pequeños, para así poder determinar un gráfico "continuo" del sistema reaccionante y calcular el punto de equivalencia de acuerdo al concepto implícito de diferencial de la primera derivada, lo que dará lugar a errores pequeños en la determinación del mismo, y por lo tanto de la concentración de nuestra solución problema con una buena aproximación. 

REFERENCIAS 

"Referencias En construcción el contenido de esta sección está sujeto a cambios"

“Por las ventajas de la reacción llevada a cabo entre el ácido clorhídrico y el carbonato de sodio y que ha sido estudiada desde hace ya varios años, encontrando referencias específicas que datan desde 1968 (Química Moderna, P.R. Frey, 1968), y otras más recientes que se refieren a la misma reacción (The word of chemirtry. Jones, Johnston, Netterville, 1990) es útil para ilustrar de manera simple, los conceptos antes mencionados en nuestra justificación, pero más que todo para integrar tales conceptos". 

Bibliografía básica:

 

P.    W. Atkins. Química, moléculas, materia, cambio, Edit. Omega. Barcelona, 1998, pp. 910

2.     R. Chang, Química, McGraw-Hill. 4ª Edición. México, 1992, pp. 1052.

3.     T.L. Brown, H.E. Le Way y B.E. Bursten. Química La ciencia central, 5ª. Edición, Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana S.A., México, 1992, pp. 1159.

4.     Arcega Solsona, F., “Unidades de medida”, Prensas Universitarias de Zaragoza, México, Pág. 57-59, 71-72., 1995

5.     Paul Ander y Anthony J.  Sonnessa, Principios de Química, Ed. Limusa, México, 1980.

6.     Ayres G. H., “Análisis químico cuantitativo”, 2° ed., Ed. Del Castillo, México, 1970, Pág., 303, 310, 310

7.     Stewart J. “Calculo diferencial e integral” Ed. Pearson Educación, México, 1999., Pág.,151.

8.    Umland J. B. y Bellama J. M., “Química general”, 3°ed., International Thomson, México, 2000, Pág.. 574, 578, 579, 605

Bibliografía complementaria :

 
  1. Fogler, H. S., Elements of Chemical Reaction Engineering , Prentice-Hall International Editions, 1992.

Web Bibliografía básica:

 
  1. La Seguridad en los Laboratorios de Prácticas, Universidad de Alcalá, 1995, Comisión de Seguridad y Salud Laboral                                                                                           http://www2.uah.es/edejesus/seguridad.htm

  2. C. Palacios, 2000-2001 “Reacciones ácido-base”, rescatado del Web el 26 de septiembre de 2005.

            http://perso.wanadoo.es/cpalacio/acidobase2.htm

  3. Universidad Interamericana De Puerto Rico  “Patrón primario”, rescatado del Web el 13 de octubre de 2005         

    http://ponce.inter.edu/acad/cursos/ciencia/q3120/primario.htm

 

 

  

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Última modificación:  04 de Agosto de 2014