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TITULACIÓN POTENCIOMÉTRICA DE UN ÁCIDO DÉBIL CON UNA BASE FUERTE. [1] Luis Pedroza, Carolina Vesga, Jorge Hernández Universidad del Atlántico - Departamento de Química – Química analítica IV Barranquilla – Atlántico - Colombia 22 de abril del 2013

Resumen En la práctica realizada se determinó la concentración de una solución de ácido acético (CH3COOH), así como su punto de equivalencia cuando reacciona con una base fuerte como el hidróxido de sodio (NaOH). Para esto se utilizó varios métodos como la primera derivada, la segunda derivada, el método de Gran y el método directo. Con la ayuda de un pH metro se determinó el pH para cada volumen adicionado del titulante y utilizando indicadores como el rojo de metilo y fenolftaleína se determino el efecto que estos causan en el punto de equivalencia. Palabras Clave: Punto de equivalencia, indicadores, métodos de la primera y segunda derivada, método de Gran. Abstract In practice the concentration was determined on a solution of acetic acid (CH3COOH) and its equivalence point when reacted with a strong base such as sodium hydroxide (NaOH). This was done using various methods such as the first and second derivatives, Gran method and the direct method. With the help of a pH meter pH was determined for each volume of titrant added and using indicators such as methyl red and phenolphthalein, we determined the effect they cause on the equivalence point. Keywords: Equivalence point, indicators, methods of the first and second derivatives, Gran method.

es interesante el cambio del estado de oxidación el cual se entiende cuando se obtiene una polarización del 100 % produciéndose así cationes y aniones, también en estas reacciones se transfieren electrones desde una unidad (un átomo, molécula o ion) a otra, por ello el proceso tiene que transcurrir simultáneamente, debido a que mientras una especie se oxida (cede electrones) la otra especie necesariamente se tiene que reducir (recibe electrones) o viceversa.

1. Introducción. En el análisis cuantitativo son muy utilizadas las valoraciones potenciométricas, por cuanto los resultados que se obtienen son bastante precisos, las valoraciones potenciométricas se fundamentan por la existencia de especies iónicas las cuales se producen mediante reacciones de oxido-reducción o más conocidas como Reacciones Redox, en estos sistemas 1

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

En las valoraciones potenciométricas y como en toda determinación volumétrica es necesario que la estequiometría esté perfectamente establecida, que la cinética de la reacción sea rápida y que el punto final sea cercano al punto de equivalencia.

2. Objetivos.

El punto de equivalencia de la reacción de valoración se determina por la aparición de un punto singular en la curva de valoración, potencial vs cantidad de reactivo añadido. La detección de ese punto final puede establecerse de diferentes formas: Método directo: consiste en graficar la variación del potencial en función del volumen de titulante añadido. El punto de inflexión en la parte ascendente de la curva se estima visualmente y se toma como punto final.

-

Evaluar el punto de equivalencia de la reacción ácido-base entre una base fuerte y un ácido monoprótico débil, utilizando la curva de valoración, el gráfico de la primera y segunda derivada y el gráfico de Gran.

-

Comparar el valor del pH de viraje de los indicadores rojo de metilo y fenolftaleína con los datos reportados en tablas.

3. Desarrollo experimental.

Método de la primera derivada: implica calcular y graficar el cambio de potencial (E) por unidad de volumen (V), E/V, en función del volumen promedio para obtener una curva con un máximo que corresponde al punto de inflexión. El punto final es el volumen correspondiente al valor más alto de E/V, ya que este valor es justamente la pendiente de la curva E vs. V.

-

Se vertieron 25 mL de CH3COOH aproximadamente 0.1 M en un vaso precipitado de 250 mL, se diluyó la solución con aproximadamente 100 mL de agua.

-

Posteriormente se realizó el montaje para la titulación: ajuste del agitador magnético, bureta, barra magnética en el vaso, se insertó el electrodo de vidrio, se agitó la solución y se midió el pH inicial antes de adicionar NaOH registrando el valor medido.

-

Luego se adicionó 1 mL de NaOH, (base titulante), se registró el pH y el volumen, de la misma forma, adicionando volúmenes de 5, 10, 15 y 20 mL de la base. Después se adicionó el titulante a intervalos de 1 mL hasta casi obtener el punto de equivalencia, 21, 22, 23, 24 mL. Luego se adicionó fracciones de 0.1 mL hasta obtener el punto de equivalencia.

-

Finalmente, se realizó 3 lecturas adicionales agregando 1, 5 y 10 mL de exceso del titulante.

-

Se repitió el mismo procedimiento con dos alícuotas adicionales de CH3COOH 0.1 M, a uno se le adicionó indicador rojo de metilo y a la otra, fenolftaleína. Observando los valores de pH al que estos indicadores cambian de color.

Método de la segunda derivada: consiste en graficar (E/V)/V contra V. El punto final es el valor de V donde la curva cruza la abscisa, o sea el punto de intersección de la segunda derivada con cero. En este punto (E/V)/V pasa de un valor positivo a un valor negativo. Método de Gran: consiste en graficar V/E o sea el recíproco de E/V, en función del volumen promedio del titulante. Antes y después del punto de equivalencia V/E varía linealmente con el volumen V, produciéndose dos líneas rectas que se interceptan en el punto de equivalencia. En este caso el potencial que se mide es el potencial de hidrogeno, pH.

2

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

4. Resultados y Análisis. 4.1 Titulación potenciométrica sin indicadores químicos. En la titulación se utilizó una alícuota de 25 mL de CH3COOH, se obtuvo los potenciales para cada mL de NaOH agregado; en la tabla 1, se muestran los resultados de la titulación, además de los cálculos pertinentes para hallar los puntos de equivalencia por los métodos de primera y segunda derivada y método de Gran. Se resalta el punto de equivalencia para la valoración, en cada método en su respectiva gráfica. Tabla 1. Valoración potenciométrica sin indicador Datos

Primera Derivada

Segunda Derivada

Gran

V (mL)

pH

V (mL)

∆pH/∆V

V (mL)

∆pH /∆V

V(mL)

∆V/∆pH

0

2,92

0,5

0,27

1,75

-0,02

0,5

3,7037037

1 5 10 15 20 21 22 23 24,1 24,4 24,5 24,8 24,9 25 25,1 25,2 25,3 25,4 25,45 25,5 25,6 25,7 25,8 25,9 26 30 40

3,19 3,79 4,18 4,52 4,93 5,04 5,17 5,34 5,62 5,73 5,78 5,94 6,01 6,09 6,23 6,35 6,5 6,75 6,95 7,33 8,48 9,05 9,39 9,63 9,84 11,6 12,18

3 7,5 12,5 17,5 20,5 21,5 22,5 23,55 24,25 24,45 24,65 24,85 24,95 25,05 25,15 25,25 25,35 25,425 25,475 25,55 25,65 25,75 25,85 25,95 28 35 20

0,15 0,078 0,068 0,082 0,11 0,13 0,17 0,25454545 0,36666667 0,5 0,53333333 0,7 0,8 1,4 1,2 1,5 2,5 4 7,6 11,5 5,7 3,4 2,4 2,1 0,44 0,058 0,3045

5,25 10 15 19 21 22 23,025 23,9 24,35 24,55 24,75 24,9 25 25,1 25,2 25,3 25,3875 25,45 25,5125 25,6 25,7 25,8 25,9 26,975 31,5 27,5 10

-0,0288 -0,006 0,01 0,023902439 0,019069767 0,038222222 0,080775912 0,108884724 0,132242672 0,03306288 0,165325285 0,099599198 0,59760479 -0,199204771 0,298811881 0,996055227 1,495575221 3,592934249 3,888551859 -5,777387914 -2,291067961 -0,996131528 -0,298843931 -1,538464286 -0,3056 0,431375 -

3 7,5 12,5 17,5 20,5 21,5 22,5 23,55 24,25 24,45 24,65 24,85 24,95 25,05 25,15 25,25 25,35 25,425 25,475 25,55 25,65 25,75 25,85 25,95 28 35 20

6,66666667 12,8205128 14,7058824 12,195122 9,09090909 7,69230769 5,88235294 3,92857143 2,72727273 2 1,875 1,42857143 1,25 0,71428571 0,83333333 0,66666667 0,4 0,25 0,13157895 0,08695652 0,1754386 0,29411765 0,41666667 0,47619048 2,27272727 17,2413793 3,28407225

3

2

2

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 1. Método directo titulación sin indicador 14 12 10

pH

8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 25 mL NaOH

30

35

40

45

Grafico 2. Método de la 1° derivada titulación sin indicador 14 12

∆pH/∆V

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 mL NaOH

4

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 3. Método de la 2° derivada titulación sin indicador 6 4 2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

-2 -4 -6 -8

mL NaOH

Grafica 4. Método Gran titulación sin indicador 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 mL NaOH

5

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

4.2 Titulación con fenolftaleína Se realiza la titulación utilizado como indicador fenolftaleína. Obteniéndose los resultados de la tabla 2. Se observa viraje en la solución a un pH de 8,33. En la literatura se encuentra que el viraje de este indicador es en un pH de 8,2[2]. La diferencia de pH se pudo deber a errores experimentales tales como la calibración del pH metro y el volumen adicionado del titulante. Tabla 2. Titulación potenciométrica con fenolftaleína Datos

Primera Derivada

Segunda Derivada

Gran

V (mL)

pH

V (mL)

∆pH/∆V

V(mL)

∆pH /∆V

V(mL)

∆V/∆pH

0 1,05 5 10 15 20 21 22 23 24 24,1 24,2 24,3 24,4 24,5 24,6 24,7 24,8 24,9 25 25,1 25,2 25,3 26,3 31,3 41,3

2,95 3,32 4 4,43 4,78 5,21 5,33 5,47 5,65 5,93 5,99 6,04 6,08 6,14 6,2 6,26 6,3 6,43 6,56 6,63 6,79 7,05 8,33 10,46 11,51 11,91

0,525 3,025 7,5 12,5 17,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,05 24,15 24,25 24,35 24,45 24,55 24,65 24,75 24,85 24,95 25,05 25,15 25,25 25,8 28,8 36,3 20,65

0,35238095 0,172151899 0,086 0,07 0,086 0,12 0,14 0,18 0,28 0,6 0,5 0,4 0,6 0,6 0,6 0,4 1,3 1,3 0,7 1,6 2,6 12,8 2,13 0,21 0,04 0,288377724

1,775 5,2625 10 15 19 21 22 23 23,775 24,1 24,2 24,3 24,4 24,5 24,6 24,7 24,8 24,9 25 25,1 25,2 25,525 27,3 32,55 28,475 10,325

-0,0312794 -0,03474793 -0,0096 0,011428571 0,02902439 0,019069767 0,038222222 0,095744681 0,312681913 -0,09958592 -0,09958763 0,199178645 -1,2384E-14 -8,8456E-15 -0,19918864 0,896363636 4,59994E-14 -0,59759519 0,896407186 0,996023857 10,15960396 -10,4425388 -1,72 -0,13487603 0,436615563 -

0,525 3,025 7,5 12,5 17,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,05 24,15 24,25 24,35 24,45 24,55 24,65 24,75 24,85 24,95 25,05 25,15 25,25 25,8 28,8 36,3 20,65

2,83783784 5,80882353 11,627907 14,2857143 11,627907 8,33333333 7,14285714 5,55555556 3,57142857 1,66666667 2 2,5 1,66666667 1,66666667 1,66666667 2,5 0,76923077 0,76923077 1,42857143 0,625 0,38461538 0,078125 0,46948357 4,76190476 25 3,46767422

6

2

2

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 5. Método directo titulación con Fenolftaleina 14 12 10

pH

8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 25 mL NaOH

30

35

40

45

Grafico 6. Método de la 1° derivada titulación con Fenolftaleina 14 12

∆pH/∆V

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 mL NaOH

7

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 7. Método de la 2° derivada titulación con Fenolftaleina 15

10

∆2pH/∆V2

5

0 0

5

10

15

20

25

30

35

-5

-10

-15

mL NaOH

Grafico 8. Método Gran con Fenolftaleina 30

25

∆V/∆pH

20

15

10

5

0 0 -5

5

10

15

20 mL NaOH

8

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

4.3 Titulación con rojo de metilo Se realiza el mismo procedimiento con el indicador rojo de metilo, en la tabla 3 se observa los resultados obtenidos así como el viraje en el color de la solución a un pH de 5,94. En la literatura se encuentra que actúa entre pH 4,2 y 6,3 variando desde rojo (pH 4,2) a amarillo (pH 6,3). Se tiene buena aproximación entre el pH experimental y el teórico respecto al viraje del indicador.[2] Tabla 3. Titulación potenciométrica con rojo de metilo Datos

Primera derivada

Segunda derivada

Gran

0

pH 2,93

V (mL) 0,5

∆pH/∆V 0,23

V (mL) 1,75

∆pH^2/∆V^2 -0,0133333

V(mL) 0,5

∆V/∆pH 4,34782609

1

3,16

3

0,15

5,25

-0,028

3

6,66666667

5

3,76

7,5

0,08

10

-0,006

7,5

12,5

10

4,16

12,5

0,07

15

0,00857143

12,5

14,2857143

15

4,51

17,5

0,082

19

0,01536585

17,5

12,195122

20

4,92

20,5

0,1

21

0,03813953

20,5

10

21

5,02

21,5

0,14

22

0,02866667

21,5

7,14285714

22

5,16

22,5

0,17

23

0,09574468

22,5

5,88235294

23

5,33

23,5

0,27

23,775

0,02931393

23,5

3,7037037

24

5,6

24,05

0,3

24,1

1,0614E-14

24,05

3,33333333

24,1

5,63

24,15

0,3

24,2

0,09958763

24,15

3,33333333

24,2

5,66

24,25

0,4

24,3

1,4152E-14

24,25

2,5

24,3

5,7

24,35

0,4

24,4

0,099591

24,35

2,5

24,4

5,74

24,45

0,5

24,5

-0,0995927

24,45

2

24,5

5,79

24,55

0,4

24,6

0,19918864

24,55

2,5

24,6

5,83

24,65

0,6

24,7

-0,099596

24,65

1,66666667

24,7

5,89

24,75

0,5

24,8

0,19919517

24,75

2

24,8

24,85

0,7

24,9

0,0995992

24,85

1,42857143

24,9

5,94 6,01

24,95

0,8

25

0,0996008

24,95

1,25

25

6,09

25,05

0,9

25,1

0,29880716

25,05

1,11111111

25,1

6,18

25,15

1,2

25,2

0,19920792

25,15

0,83333333

25,2

6,3

25,25

1,4

25,3

0,69723866

25,25

0,71428571

25,3

6,44

25,35

2,1

25,3875

4,28731563

25,35

0,47619048

25,4

6,65

25,425

6,4

25,45

0,39921492

25,425

0,15625

25,45

6,97

25,475

6,8

25,5125

6,68033268

25,475

0,14705882

25,5

7,31

25,55

13,5

25,6

-9,2637427

25,55

0,07407407

25,6

8,66

25,65

4,2

25,725

-1,7895349

25,65

0,23809524

25,7

9,08

25,8

2,4

25,875

-0,5965318

25,8

0,41666667

25,9

9,56

25,95

1,8

26,975

-1,2720134

25,95

0,55555556

26

9,74

28

0,4275

31,5

-0,2932

28

2,33918129

30

11,45

35

0,061

27,5

0,420875

35

16,3934426

40

12,06

20

0,3015

10

#¡DIV/0!

20

3,31674959

V (mL)

9

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 9. Método directo titulación con rojo de metilo 14 12 10

pH

8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 25 mL NaOH agregados

30

35

40

45

Grafico 10. Método de la 1° derivada con rojo de metilo 16 14 12

∆pH/∆V

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 mL NaOH

10

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Grafico 11. Método de la 2° derivada con rojo de metilo 8 6 4

∆2pH/∆V2

2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

-2 -4 -6 -8 -10 -12

mL NaOH

Grafica 12. Método de Gran titulación con rojo de metilo 18 16 14

∆V/∆pH

12 10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 mL NaOH

11

25

30

35

40

L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte

Se expresan los volúmenes que se requieren para alcanzar el punto de equivalencia para cada método en la tabla 4, se saca un promedio general para cada titulación y se calcula la concentración de CH3COOH.

Método

Tabla 4. Volúmenes (mL) del punto de equivalencia. Titulación con Titulación sin indicador fenolftaleína

Titulación con rojo de metilo

Directo

25,6 mL

25,3 mL

25,6 mL

1° derivada

25,55 mL

25,25 mL

25,55 mL

2° derivada

25,50 mL

25,38 mL

25,528 mL

Gran

25,35 mL

25,25 mL

25,57 mL

25,5 (±0,0935) mL

25,295 (±0,0531) mL

25,562 (±0,0264) mL

0,0997(±3,5672*10-3)M

0,0989(±2,5690*10-2)M

0,1000(±9,3465*10-3)M

Promedio mL de neutralización Concentración (M) CH3COOH Promedio general M CH3COOH

0,0995(±8,4562*10-5)M

4 Conclusiones. - Se determinó la concentración de una solución de CH3COOH la cual fue 0,0995(±8,4562*10-5)M - Se observó el punto de equivalencia para la valoración potenciométrica ácido -base entre el NaOH (base fuerte) y el CH3COOH (ácido débil) en las diferentes titulaciones. - Se determinó el valor de pH a los cuales los indicadores fenolftaleína y rojo de metilo cambiaron de color los cuales fueron de 8,33 y 5,94 respectivamente. 5 Bibliografía. [1].Guía de laboratorio. Práctica I. Química Analítica IV. Preparación y estandarización potenciométrica de una solución de NaOH aproximadamente 0,1 m [2]. Skoog, West, Holler, Crouch. Fundamentos de química analítica. 8° Ed.

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