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• Darío García

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RESUMEN

El día 12 de febrero del 2019 se realizó a las 2 pm, con una temperatura de 22.9ºc y una presión atmosférica de 102.5 kPa.

La práctica consistía en realizar 2 titulaciones con diferentes reactivos, el cual serviría para calcular el valor de la constante de equilibrio y el pka de un ácido débil a partir de valores experimentales de la titulación realizada mediante el uso del medidor de pH o potenciómetro proporcionado en el laboratorio.

Se dio inicio con la estandarización del Biftalato acido de potasio junto con el hidróxido de sodio realizando una solución de ambas y colocando los respectivos instrumentos de estandarización se pudo obtener mediante cálculos la concentración experimental de hidróxido de sodio utilizado.

Luego se dio inicio a la volumetría de neutralización utilizando como acido el ácido acético y como base el hidróxido de sodio, se utilizó un indicador de pH el cual fue la Fenolftaleína, utilizamos la ayuda del medidor de pH o potenciómetro mediante el cual realizábamos mediciones por cada ml que se aplicaba en la solución. Con los datos obtenidos en la volumetría de neutralización junto con el potenciómetro tendremos los datos experimentales necesarios para realizar las curvas volumétricas, aplicar sus funciones y encontrar los puntos de tangencia el cual se calculará la constante de equilibrio.

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OBJETIVOS

Objetivo general

1. El estudio de las titulaciones Acido-Base por medio de la experimentación considerando las reacciones que se producen entre ellas mediante indicadores de pH y su uso en las curvas volumétricas

Objetivos específicos

1. Calcular el valor de la constante de equilibrio y el pKa de un ácido débil a partir de valores experimentales de potencial de hidrogeno de la naturaleza del mismo con una base fuerte

2. Conocer distintos métodos para encontrar el punto de equivalencia de una titulación

3. Determinar la constante de equilibrio a partir de los puntos de equivalencia de las curvas volumétricas utilizando datos experimentales

.

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MARCO TEORICO

Los métodos de valoración son métodos analíticos en los que la cantidad de analito se determina a partir de la cantidad de reactivo estándar que se necesita para reaccionar completamente con el analito.

En las valoraciones volumétricas se determina el volumen de una disolución de concentración

conocida,

que

se

necesita

para

reaccionar, de

forma

prácticamente completa con el analito. Las valoraciones gravimétricas difieren sólo en que se mide el peso del reactivo en lugar de su volumen. En las reacciones culombio métricas, el “reactivo” es la corriente eléctrica continua constante, de magnitud conocida, que reacciona con el analito; en este caso se mide el tiempo necesario para completar la reacción electroquímica.

Una disolución estándar de reactivo (o valorante estándar) es una disolución de reactivo de concentración conocida, que se usa para realizar un análisis volumétrico. Una valoración se hace añadiendo lentamente una disolución estándar de reactivo desde una bureta a una disolución de analito, hasta que la reacción entre los dos sea completa.

El punto de equivalencia de una valoración se alcanza cuando la cantidad de valorante añadido es químicamente equivalente a la cantidad de analito que hay en la muestra. A veces es necesario añadir un exceso de valorante estándar, y después determinar el exceso, mediante una valoración por retroceso, con un segundo valorante estándar. En este caso, el punto de equivalencia es tal, que

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la cantidad gastada de valorante equivale a la cantidad de analito más la cantidad de retro valorante.

Valoración ácido-base Una valoración ácido-base (también llamada volumetría ácido-base, titulación ácido-base o valoración y/o equivalente de neutralización) es una técnica o método de análisis cuantitativo muy usada, que permite conocer la concentración desconocida en una disolución de una sustancia que pueda actuar como ácido, neutralizada por medio de una base de concentración conocida, o bien sea una concentración de base desconocida neutralizada por una solución de ácido conocido . Es un tipo de valoración basada en una reacción ácido-base o reacción de neutralización entre el analito (la sustancia cuya concentración queremos conocer) y la sustancia valorante. El nombre volumetría hace referencia a la medida del volumen de las disoluciones empleadas, que nos permite calcular la concentración buscada.

Aparte del cálculo de concentraciones, una valoración ácido-base permite conocer el grado de pureza de ciertas sustancias.

Curvas de valoración Si representamos el pH medido por un electrodo en función del volumen añadido de sustancia valorante se obtienen curvas de valoración o curvas de titulación, similares a la de la figura. Se observa el rápido cambio del pH para un volumen determinado. El punto de inflexión de esta curva se llama punto de equivalencia y su volumen nos indica el volumen de sustancia valorante consumido para reaccionar completamente con el analito.

En ausencia de sistema medidor del pH, se pueden usar indicadores ácido-base, sustancias que mediante un cambio de 4

color nos indican que se ha llegado al punto final de la titulación, el cual debe ser lo más cercano posible al punto de equivalencia. La elección adecuada del indicador visual nos asegura que así sea.

Determinación del punto de equivalencia Son muy numerosos los métodos para detectar el punto de equivalencia. Aparte de los métodos más frecuentes (uso de indicadores y medida directa del pH con potenciómetro) se pueden usar otros métodos. 

Valoración potenciométrica: Es una medida basada en la diferencia de potencial entre un electrodo adecuado frente a un electrodo de referencia (electrodo de calomelanos de potencial fijo) en función del volumen de sustancia valorante. No confundir con la medida directa de potencial que efectúa el pH-metro. Proporcionan resultados más fiables que las valoraciones con indicadores químicos o ácido-base. Se emplean dos electrodos, en lugar de uno sólo. En el punto final hay una rápida modificación del potencial. Representando la derivada en función del volumen, se observa un pico que corresponde al punto final. También se observa en la segunda derivada. Estas medidas de potenciar también permiten calcular la constante de disociación del ácido o la base que se está valorando.



Valoración fotométrica: Se emplean espectrómetros o fotómetros de filtro. Se trata de comprobar cómo varía la absorbancia de la muestra en función del volumen de disolución valorante añadido. Aunque los ácidos y bases no absorben, basta añadir un indicador ácido-base para controlar el avance de la neutralización.



Valoración conductimétrica: Se mide la conductividad de la disolución en función del volumen añadido. Sirve para valorar ácidos o bases muy débiles, o disoluciones muy diluidas. No puede aplicarse a muchos procesos. 5



Valoración amperométrica: Se aplican más a valoraciones redox que a valoraciones ácido-base.



Valoración termométrica o calorimetría: Se trata de detectar los aumentos de temperatura durante la valoración.



Valoración culombimétrica: Consta de un electrodo donde se obtiene un reactivo y otro contraelectrodo con la muestra. Se le hace pasar una corriente constante (amperioestato) durante un tiempo. Dicha corriente, por ejemplo, libera una cantidad de iones OH- (en un electrodo de Hg) proporcional a la carga que lo atraviesa. Según las leyes de Faraday, conociendo la intensidad de corriente que circula por la célula y el tiempo, se puede calcular los moles de OH- formados y, a partir de ahí, los moles de ácido en la muestra. Este método no presenta las interferencias del ion carbonato en la valoración de ácidos y no requiere preparar o estandarizar disoluciones

Medida del punto de equivalencia con el pH-metro Un pH-metro es un instrumento que mide el pH de una disolución, y sirve para detectar el punto final de una valoración ácido-base. Consta de un electrodo de plata-cloruro de plata, de potencial constante, en una disolución 0,1 M de HCl dentro de una membrana de vidrio que mide la actividad de los iones H+ capaces de atravesarla, y de una unidad lectora que hace una medida directa del potencial eléctrico del electrodo y señala en una pantalla el valor del pH.

Indicador de pH Un indicador de pH es una sustancia que permite medir el pH de un medio. Habitualmente, se utilizan como indicador a sustancias químicas que cambian su color al cambiar el pH de la disolución. El cambio de color se debe a un cambio estructural inducido por la protonación o deprotonación de la especie

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MARCO METODOLOGICO 1. Fase 1 1.1 Se realiza solución desconocida de hidróxido de sodio para su posterior calculo mediante titulación.

1.2 Se preparo una solución a 0.5 molar de Biftalato acido de Potasio para su posterior uso en la titulación

1.3 Se coloco una bureta, un soporte universal, unas pinzas de soporte, un matraz Erlenmeyer en donde se colocaría la solución de Biftalato acido de potasio.

1.4 Se realizo la titulación Acido-Base con las soluciones de hidróxido de sodio y Biftalato acido de potasio con el indicador fenolftaleína.

1.5 Con la estandarización realizada se obtuvo los cálculos del hidróxido de sodio experimental de la titulación.

2. Fase 2 2.1 Se preparo una solución 0.1 molar de hidróxido de sodio en un volumen total de 100 ml.

2.2 Se preparo una solución 0.1 molar de ácido acético en un volumen total de 100 ml para su respectiva estandarización

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2.3 Se realizo la titulación con las soluciones de hidróxido de sodio y ácido acético con el indicador fenolftaleína junto con el potenciómetro o medidor de pH para su respectivo calculo

Diagrama de flujo

1. Fase 2

Inicio Determinar la constante de equilibrio

Preparar una solución 0.1 molar de hidróxido de sodio (NaOH) en un volumen total de 100 ml.

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Preparar una solución 0.1 Molar de Acido Acético (CH3COOH) en un volumen total de 100 ml

Armar el conjunto de volumetría (soporte universal, pinza y bureta de 50 ml.

Llenar he identificar 2 Buretas de 50 ml con las soluciones preparadas anteriormente.

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Estandarizar las soluciones preparadas anteriormente de Acido acético he hidróxido de sodio

Mientras se realiza la estandarización medir el pH dado por el potenciómetro

Observar el volumen a que varía la Fenolftaleína.

Tomar resultados para posterior calculo

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RESULTADOS Nota: por error de procedimiento, los siguientes cálculos se tomaron de la hoja de datos originales del grupo No.1 (se adjuntarán imágenes de esta). Autorizado por la instructora de laboratorio.

Corrida ml de NaOH pH Tabla #1 No.

Volumen (ml)

pH

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 18 20 22 24 25 26 28

3.25 3.34 3.65 3.83 3.99 4.1 4.23 4.33 4.44 4.54 4.65 4.76 4.87 5.01 5.17 5.64 9.7 11.54 11.9 12.03 12.15 12.22 12.28

Fuente: Hoja de datos originales

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Métodos gráficos para Obtener el punto de equivalencia

Curva Volumétrica Grafica #1

Fuente: Elaboración propia 2019

Método grafico Primera Derivada Grafica #2

Fuente: Elaboración propia 2019 12

Método grafico Segunda Derivada Derivada Grafica #3

Fuente: Elaboración propia 2019

Método grafico Círculos Concéntricos Grafica #4

Fuente: Elaboración propia 2019 13

Volúmenes obtenidos mediante métodos gráficos

Tabla #2 Método Grafico Utilizado

Volumen (ml) NaOH

Curvas de valoración

17.40 ml

Primera derivada

18.00 ml

Segunda Derivada

19.80 ml

Círculos concéntricos

17.00 ml

Fuente: Elaboración propia 2019

Constante de equilibrio a partir de los puntos de equivalencia determinados por los métodos gráficos

Tabla #3 Punto de equivalencia a partir del método grafico Curvas de valoración

Constante de equilibrio (Ka) 0.027

Primera derivada

0.029

Segunda Derivada

0.035

Círculos concéntricos

0.026

Fuente: Elaboración propia 2019

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Interpretación de resultados

la práctica se realizo a 22.9 °c bajo una presión atmosférica de 1026 hPa y una humedad relativa de 94%. en la realización de la practica No.1 el cual trataba de la estandarización del ácido acético junto a hidróxido de sodio para obtener los datos para aplicar los métodos gráficos los cuales generaban los puntos de equivalencia para luego utilizarlos y encontrar la constante de equilibrio del acido nos pudimos dar cuenta que los datos obtenidos pueden variar entre un método grafico a otro ya que su exactitud difiere entre ellas mismas (ver grafica #1, #2, #3, #4). los datos obtenidos de la estandarización varían de los datos teóricos ya que no trabajamos bajo condiciones estándares dentro del laboratorio (25 °c y 1 atm). De igual forma dado que trabajamos con soluciones muy diluidas al momento de utilizar los métodos gráficos los rangos que ella generaba en los puntos de equivalencia abarcaban mucho o tenían un rango muy amplio por lo cual eran poco exactos al momento de calcular la constante de equilibrio (ver tabla #1). Al momento de tabular los datos dentro del método gráfico de curvas volumétricas pudimos observar que dado los pocos puntos generados en la titulación y medición de pH la grafica en el punto de flexión no quedo de una forma geométrica correcta y contaba curvas de forma extraña, de igual forma al generar las rectas tangentes y el punto de equivalencia tuvieron más margen de error. (ver tabla #1) (ver grafica #1). De igual forma se puede observar en los métodos gráficos primera derivada y segunda derivada, al momento de utilizar las curvas volumétricas donde ya antes mencionados sus errores al tabular, estas anteriores no generaron la gráfica forma deseada, la cual genero un grado de incertidumbre mayor al momento de encontrar el punto de equivalencia (ver grafica #2) (ver grafica #3). Mediante los métodos gráficos se obtuvo los puntos de tangencia los cuales se utilizaron para generar 𝐻 + para luego utilizarla y encontrar la constante de equilibrio (ver tabla #3).

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Conclusiones

1 Al momento de realizar la estandarización del Acido acético junto al hidróxido de sodio se llegó a la conclusión que para tener mas exactitud en los datos calculados es recomendable utilizar soluciones no tan diluidas 2 Al momento de manejar los diferentes métodos gráficos los cuales generan los puntos de tangencia se debe realizar mas mediciones al momento de la titulación, ya que ellos ayudan al momento de tabular los resultados, generando mas puntos en la grafica haciendo que estos métodos sean más exactos y fáciles de utilizar 3 Al momento de realizar los métodos gráficos se debe de utilizar una buena herramienta graficadora, ya que al manejar cantidades molares muy diluidas ciertos puntos quedan muy pequeños, y las herramientas graficadoras estándares no generan gran exactitud al momento de encontrar los puntos de equivalencia y pH obtenidos en los mismos 4 Al momento de calcular la constante de equilibrio de manera práctica se debe utilizar ecuaciones sencillas ya que esto nos ayuda a que el trabajo sea mas simplificado.

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Bibliografía

1 Química fotográfica I: temas 1-6. Joan Torrent Burgués. Escola de Fotografía. Fundación Politécnica de Catalunya, 1994. Pág. 90 2 Estandarización de disoluciones valorantes. José Morillo Aguado. Deptº de Ingeniería Química y Ambiental. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla. Universidad de Sevilla. 3 Valoración conductimétrica de una mezcla de ácidos. Técnicas instrumentales: manual de laboratorio. Sagrario Torres Cartas et al. Ediciones de la Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, 2006. ISBN 8497059972. Pág. 26 4 Valoraciones potenciométricas. Fundamentos de química analítica, Volumen 2. Fundamentos de química analítica. Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Oller. Editorial Reverté, 1997. ISBN 8429175555. Pág. 432. 5

Volumetrías de neutralización. Fundamentos de química analítica: equilibrio iónico y análisis químico. Alfonso Clavijo Díaz. Universidad Nacional de Colombia, 2002.ISBN 9587011430. Pág. 457

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Apéndice

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Datos Originales (Ver ultima hoja del reporte)

2 Muestra de calculo

Determinación de 𝑯+ mediante datos obtenidos de puntos de equivalencia 𝑐1 ∗ 𝑣1 = 𝑐2 ∗ 𝑣2 Donde 𝑐1: concentración experimental (0.06 M) 𝑣1 : volumen obtenido con los métodos gráficos 𝑣2 : volumen de Acido Acético (20 ml) 𝑐2 = 𝑐2 =

𝑐1 ∗ 𝑣1 𝑣2

0.06𝑀 ∗ (𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 (𝑚𝑙)) 20 𝑚𝑙

𝑐2=𝐻 +

Determinación de constante de equilibrio 𝐾𝑎 =

[𝐻 + ]2 0.1 𝑀

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Donde [𝐻 + ]2 : ion idrogeno obtenido anteriormente

0.1 𝑀: concentración molar de la disolución de Acido acético

Cálculos estequiométricos: Conversión de volumen a moles.

1 𝑚𝐿 ∗

10 𝑚𝐿 ∗

0.1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1𝐿 ∗ = 1 ∗ 10−4 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 1000 𝑚𝐿

0.1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 1𝐿 ∗ = 1 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 1 𝐿 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 1000 𝑚𝐿

Determinación de cálculos de primera derivada ∆𝑝𝐻 ∆𝑚𝐿 Donde: ∆𝑝𝐻 = Diferencia de potencial de hidrógeno. ∆𝑚𝐿 = Diferencia de volumen.

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3

Datos calculados

Valores obtenidos la realización de grafica de primera derivada Tabla #4 pH ml titulante ∆pH/∆ml 3.25 0 0 3.34 1 0.09 3.65 2 0.31 3.83 3 0.18 3.99 4 0.16 4.1 5 0.11 4.23 6 0.13 4.33 7 0.1 4.44 8 0.11 4.54 9 0.1 4.65 10 0.11 4.76 11 0.11 4.87 12 0.11 5.01 13 0.14 5.17 14 0.16 5.64 16 3.055 9.7 18 6.88 11.54 20 6.69 11.9 22 6.13 12.03 24 6.08 12.15 25 0.12 12.22 26 0.07 12.28 28 6.17 Fuente: elaboración propia 2019

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Valores obtenidos la realización de grafica de primera derivada Tabla #5

∆pH/∆ml ml titulante ∆(∆pH/∆ml) /∆ml 0 0 0 0.09 1 0.09 0.31 2 0.22 0.18 3 -0.13 0.16 4 -0.02 0.11 5 -0.05 0.13 6 0.02 0.1 7 -0.03 0.11 8 0.01 0.1 9 -0.01 0.11 10 0.01 0.11 11 -8.8818E-16 0.11 12 8.8818E-16 0.14 13 0.03 0.16 14 0.02 3.055 16 1.4475 6.88 18 1.9125 6.69 20 -0.095 6.13 22 -0.28 6.08 24 -0.025 0.12 25 -5.96 0.07 26 -0.05 6.17 28 3.05 Fuente : elaboración propia 2019

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Imágenes de realización de la practica

Fuente: Jarek Franco

Fuente: Jarek Franco

Febrero del 2019

Febrero del 2019

Fuente: Jarek Franco

Fuente: Jarek Franco

Febrero del 2019

Febrero del 2019

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Hoja de datos orinales Grupo 1

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