CIENCIA    BÁSICA

EXPERIMENTAL  PARA

ESTUDIANTES    DE

INGENIERÍA    QUÍMICA

 

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Potenciometría
Teoría breve, Ácido - Base

TITULACIÓN  ÁCIDO - BASE


                                                       Estudio de una reacción de neutralización

               INTRODUCCIÓN

              La naturaleza de las sustancias es una de los temas más estudiados por la química, ya que de acuerdo a ésta, están determinados los tipos de reacciones que se presentan de acuerdo a 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 ha agregado la cantidad de reactivo determinada en función de un cambio de coloración en el caso de utilizar un indicador interno, y especificada por la siguiente ecuación de la titulación.

NA VA = NB VB

A este punto 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.

En una expresión como la siguiente expresión:

Ácido   +  Base    Sal   +   Agua

Un caso particular sería la reacción entre  un ácido fuerte (HNO3) y una base débil  (Na2CO3). 

2HNO3  +  Na2CO3   2 NaNO3  +  CO2+  H2O

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 como el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma (el pH se gráfica contra el volumen de base o ácido agregado).

Entonces podría entenderse como final de la titulación al momento en que el pH llegase a 7, sin embargo, esto está en función de la fuerza del ácido o la base que se están 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.

Para determinar éste punto (de equivalencia), podemos utilizar la curva de titulación potenciométrica de la  reacción ácido-básica cuya gráfica resulta del pH del sistema contra volumen de ácido o de base agregados en la titulación (Umland, 2000, p.602).

      En las titulaciones se pueden utilizar indicadores internos. Los indicadores son compuestos orgánicos de estructura compleja que cambian de color en solución a medida que cambia el pH. A continuación se describen algunos de ellos.

INDICADOR

COLOR ÁCIDO RANGO DE pH DEL CAMBIO DE COLOR COLOR ALCALINO
Azul de timol Rojo 1.2 – 2.8 Amarillo
Anaranjado de metilo Rojo 3.1 – 4.5 Amarillo
Verde de bromocresol Amarillo 3.8 – 5.5 Azul
Rojo de metilo Rojo 4.2 – 6.3 Amarillo
Papel de tornasol Rojo 5.0 – 8.0 Azul
Azul de bromotimol Amarillo 6.0 – 7.6 Azul
Azul de timol Amarillo 8.0 – 9.6 Azul
Fenolftaleína Incoloro 8.3 – 10.0 Rojo
Amarillo de alizarina Amarillo 10.0 – 12.1 Alhucema

En este tipo de titulaciones (con indicador interno) no se requiere de ningún gráfico para determinar el punto de equivalencia, solo se requiere observar el cambio de coloración de la solución para concluir el final de la reacción y hacer las mediciones correspondientes.

Las titulaciones potenciométricas al igual que en el caso anterior, son 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 como el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma ( [*] el pH se gráfica contra el volumen de base o ácido agregado).

Para determinar el punto de equivalencia, podemos utilizar la curva de titulación potenciométrica de la  reacción ácido-básica (Umland, 2000, p.602).

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 carga del carbonato, y es hasta el segundo punto, donde el carbonato de sodio pierde sus propiedades. Está neutralizado. 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)

De acuerdo con la reacción anterior Y en función de la ecuación  siguiente:

NA VA = NB VB

si en éste proyecto experimental, se utilizara una base 0.1N, en un volumen de 50 mL, ésta será neutralizada con 25.0 mL de ácido. Desde el punto de vista experimental la problemática se reduce a la determinación del volumen del reactivo titulante, es obvio que éste es el correspondiente a las condicionnes del sistema, estamos hablando de la pureza del reactivo a titular. 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] Na2COse 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 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, titulación potenciométrica, determinación del punto de equivalencia por el método de la primera y segunda derivada, etc., determinando para ello los valores del pH vs. volumen de reactivo utilizado, y posteriormente graficándolos para posteriormente determinar el punto de equivalencia y por ende la concentración de la sustancia. 

 JUSTIFICACIÓN 

Este proyecto experimental tiene como finalidad que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en Química, en lo referente a los conceptos de ácidos y bases, concentración, peso equivalente y 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[1] (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.
 


[1] 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.


 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:

   

1.     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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Basic Science applied to Chemical Enginnering
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Última modificación: 23 de Noviembre de 2014