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LABORATORIO DE QUIMICA II - UNIVERSIDAD DEL VALLE ÁCIDOS Y BASES. VALORACIÓN DE ÁCIDO CLORHÍDRICO Y DE HIDRÓXIDO DE SODIO POR TITULACIÓN. Lina Sandoval (1538967), Jhon Carlos Valencia (1541840). [email protected], [email protected]. 8 de junio de 2016. Departamento de Química – Universidad del Valle. Palabras clave: Ácido Fuerte, Base Fuerte, Valoración. Resumen. Se buscó identificar la concentración de una base fuerte (NaOH) mediante su titulación con un ácido fuerte (HCl) y la estandarización de éste último con un patrón primario (Na2CO3). La concentración encontrada por la estandarización del HCl fue de 0.205 M, mientras que la valoración por titulación del NaOH mostró una concentración de 0.193 M.

Introducción. En química se conocen y aceptan dos conceptos de ácido-base: el formulado por Bronsted y Lowry, definiendo al ácido como una sustancia que dona iones H+ (HCl) y a la base como una receptora de estos iones (NaOH) (1); y el establecido por Lewis, afirmando que un ácido es una sustancia receptora de electrones (H+) y una base es una donadora de electrones (NH3) (2). Para la primera definición, los ácidos y bases están sujetos a disoluciones y, en su neutralización, forman una sal y agua (véase ecuación 5), mientras que, en la segunda definición, no es necesario que ocurra una disolución, pues no se habla en términos de iones disociados, sino participación directa de electrones. Se habla de titulación (o valoración) cuando se busca conocer la concentración o la especie de una sustancia (analito) usando otra de concentración o especie conocida (titulante). Las titulaciones buscan “determinar ácidos, bases, agentes oxidantes y reductores”, entre otros (3). Este proceso se basa en un cambio físico evaluable. Se conoce como valoración al proceso que busca determinar la concentración de un soluto en su solución (analito) a partir de un reactivo de concentración conocida (titulante estándar) (3). Para conocer la concentración del analito es necesario un reactivo de referencia, generalmente sólido, con un peso conocido y con ciertas características. Este reactivo es el patrón primario y debe: 1) ser altamente puro; 2) tener alta estabilidad atmosférica; 3) ser totalmente seco y sin posibilidades de alteración por cambios de humedad en 50.0 𝑚𝐿 𝑠𝑙𝑛 ∗

el ambiente; 4) tener solubilidad razonable en el medio de valoración; 5) tener masa molar razonablemente grande para reducir lo máximo posible el error relacionado al peso del sólido y 6) tener bajo costo. Identificar el punto final de la reacción es posible mediante la aparición de un cambio físico (el color, en este caso y mediante el uso de un indicador). Algunos ejemplos de patrón primario el ácido benzoico y el a. oxálico (para estandarizar bases) y el bórax (para estandarizar ácidos) (4). Esta práctica busca mostrar la aplicación de la titulación volumétrica para identificar concentraciones y, siendo más precisos, reconocer el procedimiento en valoraciones ácido-base. Metodología. Para esta práctica, se usaron HCl 0.2 M, 0.2 g de Na2CO3, una solución de NaOH a concentración por determinar, y dos indicadores: uno para la estandarización del HCl (mezcla de rojo de metilo y verde de bromocrestol) y otro para la valoración del NaOH (fenolftaleína). Se prepararon las soluciones requeridas para encontrar la concentración de NaOH. Con dichas soluciones listas, se tituló la de HCl con la de Na2CO3 (estandarización) y la solución resultante con la de NaOH (valoración). Posteriormente, se hicieron los cálculos necesarios. Resultados y discusión. Para empezar, es necesario preparar las soluciones requeridas para la práctica. Los cálculos para encontrar la cantidad de HCl para preparar 50.0 mL de HCl 0.2 M (véase anexo I) fueron:

1𝐿 0.2 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 36.458 𝑔 1 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙 ∗ ∗ ∗ = 0.32 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 1000 𝑚𝐿 1 𝐿 𝑠𝑙𝑛 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 1.140 𝑔

(𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1)

Fueron requeridos 18.4 mL de HCl 0.2 M para neutralizar 10 mL de Na2CO3 0.189 M. El HCl no es un patrón primario, por lo que su concentración sería imprecisa al determinarse experimentalmente, necesitando un patrón primario para su identificación (4). La reacción global es:

Con la relación estequiométrica, la cantidad de patrón primario y la cantidad de HCl es posible establecer la concentración de HCl presente en la solución estándar (ecuación 4) considerando las moles de ácido formadas (ecuación 3).

2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 (𝑎𝑐) → 2𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂2 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2)

Posterior a esto, se realizó la valoración de 10.0 mL de NaOH a concentración desconocida. Se usaron 9.4 mL de HCl 0.205 M para neutralizar esta solución. La

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𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑐) → 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑐) + 𝐻2 𝑂(𝑎𝑐) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5)

reacción a tener en cuenta es la expresada en la ecuación 5.

0.2 𝑔 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ∗

𝑀𝐻𝐶𝑙 =

1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 2 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 ∗ = 3.77 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 105.99 𝑔 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3

3.77 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 1 ∗ 103 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙 ∗ = 0.205 𝑀 18.4 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙 1 𝐿 𝐻𝐶𝑙

Al encontrar la relación estequiométrica entre el, ahora de concentración más precisa, HCl y el NaOH, es posible determinar su concentración en el punto final de la reacción (aparición de color rosado claro por intervención de fenolftaleína). Fueron necesarios 9.4 mL de HCl 0.205 M para neutralizar 10.0 mL de NaOH a concentración desconocida. La ecuación 6 expresará el 𝐶𝑁𝑎𝑂𝐻 = (9.4 𝑚𝐿 𝐻𝐶𝑙 ∗

(𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3)

(𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4)

cálculo requerido para la identificación de la concentración de NaOH. Se debe tener en cuenta que la molaridad es una relación entre cantidades, por lo que no hay diferencia si se trata en términos de mol/L o mmol/mL.

0.205 𝑚𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 1 𝑚𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 1.927 𝑚𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ )∗ = = 0.193 𝑀 1𝑚 𝐿 𝐻𝐶𝑙 1 𝑚𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙 10.0 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 10.0 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6)

Esta valoración se realizó entre un ácido fuerte (HCl) y una base fuerte (NaOH). En este tipo de valoración ácido-base, el punto de equivalencia es determinado con mayor facilidad y se espera que, en este caso, el pH de la solución entre 9.4 mL de HCl 0.205 M y 10.0 mL de NaOH 0.193 M sea de 7, pues para estas cantidades, la disociación completa de sus iones H+ y OH- debería ser equimolar. La figura 1 muestra la curva de valoración para una titulación entre HCl y NaOH a concentraciones iguales.

Figura 1. Curva de valoración de NaOH agregado a HCl a la misma concentración.

Cabe mencionar que las concentraciones y volumen de las disoluciones empleadas en la práctica son bastante cercanas entre sí y dicha relación tiene sentido dentro de los parámetros necesarios para una valoración ácido fuerte – base fuerte ([HCl] > [NaOH], VHCl < VNaOH). El patrón primario más adecuado para la estandarización de ácidos es el carbonato de sodio, pues se puede conseguir comercialmente con una pureza de 100 ± 0.02%

Preguntas (artículo). 1. El autor comienza hablando de la imprecisión de los términos fuerte, débil y múy débil para referirse a las especies de ácidos y bases y sus interacciones entre sí y con el agua. Además, se habla del hecho de que la interacción entre ácidos/bases fuertes son agregados al agua y la no-interacción de los ácidos/bases muy débiles están involucrados, aunque fácil y enseñada individualmente, está conectada a algo más. Por esto, se espera que los estudiantes sean fuertes en conectar esos conceptos que los químicos y científicos prácticos dan por hecho. 2. El Leveling Effect consiste en un escalamiento del pKa / pKb para determinar si son ácidos/bases fuertes (pKa, pKb < -1.74, hidrólisis al 100%), ácidos/bases débiles (2.6 > pKa, pKb > 15.74, disociación al 5%, sin cambios de pH considerables en equilibrio con agua) o ácidos/bases muy débiles (pKb > 15.74, hidrólisis al 0%) y su relación con su base/ácido conjugado. 3. Permite una mejor evaluación respecto al aporte de iones hidronio en solución acuosa y el mayor entendimiento sobre las propiedades de las bases conjugadas. Es más fácil entender, por este método, por qué un ácido fuerte llega a su base conjugada débil y es más sencillo identificar esta relación. Conclusiones. En el punto de equivalencia (punto de interacción de cantidades equimolares de ácido y base) se espera que el pH sea 7 pues, por el hecho de ser ácido y base fuertes, la disociación completa de iones hidronio e hidroxilo muestra una concentración igual de ambos iones, definiendo pH = pOH (2). No todos los

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indicadores son precisos para todas las valoraciones ácido-base, por lo que es necesario definir, de antemano, sobre qué valor de pH se va a trabajar y qué tipo de sustancias van a manejarse para encontrar el más útil. Por último, se deben encontrar valores lo más precisos posibles, por lo que es necesario el uso de un patrón primario en el procedimiento, arrojando así concentraciones (para titulaciones con fines de determinación de cantidades) con márgenes de error menores. Bibliografía. 1. CHANG, R. Capítulo 4: Reacciones en Disolución Acuosa. En: Química, 10ma Edición. Roig, P. McGraw-Hill, México. 130 – 135. 2. CHANG, R. Capítulo 15: Ácidos y Bases; Capítulo 16: Equilibrios Ácido-Base y Equilibrios de Solubilidad. En: Química, 10ma Edición. Roig, P. McGraw-Hill, México. 666 – 734. 3. SKOOG, D. et al. Capítulo 13: Valoraciones en Química Analítica; Capítulo 14: Principios de las Valoraciones de Neutralización. En: Fundamentos de Química Analítica, 9na Edición. Vega, A. Cengage Learning, México. 302 – 344. 4. http://www.ciens.ucv.ve:8080/generador/sites/lfqf/archivos/estan darizacion.pdf. Universidad Central de Venezuela

I.

Anexo II: Datos numéricos

Peso molecular (g/mol): HCl NaOH Na2CO3

36.458 39.998 105.99

Densidad (g/mL): HCl Na2CO3

1.140 2.54