Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ciencias Área de Química Laboratorio de: Análisis Cualitativo Impartido por: Adela María Marroquín González TITULACIÓN DE ÁCIDOS POLIPRÓTICOS Y CURVAS DE DISOCIACIÓN Emilia Virginia Pontacq Alfonso 2011-14623 Guatemala, 15 de mayo del 2012 1 2 INDICE Resumen…………………………………………………………………………………………………..……….. 5 Objetivos………………………………………………………………………………..……………..………….. 7 Marco Teórico……………………………………………………………..……………..……………………. 9 Marco Metodológico………………………………………………………..……………………..……….. 11 Resultados………………………………………………………………………..……………..…………..….. 13 Interpretación de Resultados…………………………………………..……………..………………… 21 Conclusiones………………………………………………………………..……………..……………..……… 25 Bibliografía………………………………………………………………………..……………..……………..… 27 Apéndice Muestra de Cálculo………………………………………..……………..……………………….. 29 Datos Calculados………………………………………………..……………..………….….……. 33 Anàlisis de error……………………………………………………..………………..…..………… 41 Datos Originales……………………………………………………..…………..………..………… 42 3 4 Éstas fueron tituladas con una base fuerte (NaOH). Al ser comparadas con los datos teóricos.RESUMEN El tema de la práctica es el comportamiento de los ácidos polipróticos a través de una curva de disociación cuando se le agrega una base fuerte. Se graficaron curvas de titulación con los datos obtenidos de la práctica por medio de las cuales se encontraron los puntos de equivalencia y las constantes de equilibrio experimentales para cada ácido titulado.94 atm. Se prepararon soluciones de Ácido Fosfórico (H3PO4). Por medio de un potenciómetro de hidrógeno se determinaron los valores de pH experimental inicial de cada solución ácida.1M cada una. midiendo el pH de la solución por cada volumen de base agregado hasta alcanzar un pH parecido al pH inicial de la base. La práctica de laboratorio se realizó bajo las siguientes condiciones: Una temperatura de 26°C y una presión constante de 0. 5 . se obtienen errores pequeños al trabajar bajo el criterio de Sørensen para las constantes de equilibrio y las concentraciones de hidrógeno (pKa’s y pH’s). Ácido Sulfúrico (H2SO4) e Hidróxido de Sodio (NaOH) a 0. 6 . Ilustrar la ionización múltiple de ácidos polipróticos. Específicos 1. 7 . 3. 4. Determinar el porcentaje de error promedio entre los valores teóricos y experimentales.OBJETIVOS General Titular dos ácidos fuertes con una base fuerte para analizar el comportamiento de disociación para un ácido poliprótico. Calcular el pH de los puntos de equivalencia a partir de las gráficas de pH vs volumen agregado y su primera derivada. Emplear el concepto de curvas de disociación para explicar el comportamiento experimental de la disociación de ácidos polipróticos. 2. 8 . base débil vs ácido fuerte) Determinar las zonas tamponantes y el pKa 9 . los ácidos fuertes poseen una Ka de mayor valor (por lo tanto menor pKa). iones o radicales. usualmente de manera reversible. Disociación de un ácido La disociación de los ácidos en una solución significa la liberación de un protón H+. un enlace covalente entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno se rompe por la fisión heterolítica lo que da un protón y un ión negativo. ácido débil vs base fuerte. Curvas de Titulación Son representaciones gráficas de la variación del pH durante el transcurso de la valoración. Dichas curvas nos permiten: Estudiar los diferentes casos de valoración (ácido fuerte vs base fuerte. base fuerte vs ácido fuerte. esto quiere decir que disociación y la recombinación ocurren al mismo tiempo con la misma velocidad. éste es un proceso de equilibrio. Cuando un ácido de Brønsted-Lowry se coloca en agua. La constante de disociación de los ácidos Ka indica qué tan fuerte es un ácido.MARCO TEORICO Disociación Es un proceso general en el cual moléculas. complejos o sales se separan en moléculas más pequeñas. los saltos en el pH para la valoración serán insensibles en las curvas de titulación. Si los logaritmos inversos de las constantes no difieren en más de 4 unidades. Por regla general la primera disociación es más fuerte que las siguientes. 10 . Las curvas de titulación de ácidos o bases polifuncionales. muestran varios puntos de inflexión que son los llamados puntos de equivalencia. al aumentar el número de disociaciones. más débiles se vuelven las disociaciones. cuyas diferencias entre los valores de pK son mayores de 4 unidades. Determinar el intervalo de viraje y el punto de equivalencia Ácido poliprótico Un ácido poliprótico es aquel ácido que aporta a una solución acuosa más de un protón (ión hidronio). 11 . Las soluciones fueron preparadas por las mesas correspondientes a una concentración de 0. Se realizó lo mismo para la solución de ácido fosfórico (los datos fueron intercambiados entre mesas a falta de potenciómetros).1M 6.1M. 7.) Balón aforado (250 ml. los cuales se lavaron y secaron (cristalería): Potenciómetro 2 Earlenmeyer (250 ml. ácido fosfórico e hidróxido de sodio. y 25 ml.) 2. 3. Se desecharon los sobrantes previamente neutralizados. Se identificaron los reactivos a utilizar: ácido sulfúrico. 5. 9. 8. Se aforó la bureta con 25 ml de NaOH 0.MARCO METODOLOGICO 1. 4. Se seleccionaron los instrumentos a utilizar en el desarrollo de la práctica.) Bureta (25ml.) Pipeta (5 ml. Se tomó una alícuota de 10 ml de cada solución ácida y se les midió el pH. Se lavó y secó la cristalería y se guardó.) Beacker (250 ml. Se anotó la cantidad de ml de NaOH usados en cada solución. midiendo el valor de pH en cada ml de NaOH agregado a la solución. 10. Se anotaron observaciones. Se tituló la solución de ácido sulfúrico con el NaOH. 12 . 9.3.RESULTADOS 1) Gráficas ∆pH/∆ml en función del volumen de NaOH agregado. Gráfica 1: ∆pH/∆ml vs ml NaOH del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0. Datos Originales 13 .8. Gráfica 2: ∆pH/∆ml vs ml NaOH del ácido sulfúrico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.3.8.9. Datos Originales 14 . Curva de titulación del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.8.2) Gráficas pH vs mL NaOH agregados Gráfica 3.9.9. Datos Originales Gráfica 4.3.3. Datos Originales 15 .8. Curva de titulación del ácido sulfúrico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0. 8. Puntos de equivalencia del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.3) pH en los puntos de equivalencia y valores de las constantes de equilibrio Gráfica 5. Datos Originales 16 .9.3. Gráfica 6.559042573*10 -8 9.089296131*10 -13 Fuente: Datos Calculados: Tablas II y V 17 . Segunda derivada de la curva de titulación del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.3.410283504725 5. Datos Originales Tabla XIV.9.126079367*10 4.38132302205 2.8. Puntos de equivalencia y Ka’s experimentales del ácido fosfórico -3 Constante de equilibrio 1 (Ka1) Punto de equivalencia 1 (pH) Constante de equilibrio 2 (Ka2) Punto de equivalencia 2 (pH) Constante de equilibrio 3 (Ka3) 3. Puntos de equivalencia y pKa’s experimentales del ácido sulfúrico Ka1 experimental “No determinable” 3.332543008*10 -3 Punto de equivalencia pKa2 experimental Ka2 experimental Fuente: Datos Calculados: Tablas VIII y X 18 . Puntos de equivalencia y constante de equilibrio del ácido sulfúrico Fuente: Elaboración Propia en QtiPlot 0.03 9.9.3.Gráfica 7.8. Datos originales Tabla XV.82624524905 2. 4) Comparación de los datos experimentales y teóricos y su porcentaje de error Tabla XVI.73% Fuente: Análisis de Error: Tabla XII 19 .7 Porcentaje de error en los valores de pH y pKa’s del ácido fosfórico pKa experimental 2.2 12.7 9. 1 2 3 pKa teórica 2.255 12.99 pKa experimental No determinable 2.157% %Error pH 6. Porcentaje de error en los valores de pKa’s del ácido sulfúrico No.86% 0.03 %Error 15.410283504725 9.76% 0.72% - Fuente: Análisis de Error: Tablas XI y XIII Tabla XVII.38132302205 %Error pKa 13.2 7. 1 2 pKa teórica -6. No.95 pH equivalencia 4.62 1.16% 5.505 7.68 pH teórico 4. 20 . mas en la práctica el pH mínimo 21 .62. Para el ácido sulfúrico se obtuvo un pH inicial de 1. en donde el segundo punto de equivalencia se encuentra en la pendiente más pronunciada y el pH más bajo de la solución 0. el cual se encuentra muy cercano a la segunda pKa. la segunda constante está representada como el punto medio de la zona buffer provocada entre el primer y segundo punto de equivalencia o la segunda derivada de la curva de titulación (puntos de inflexión). o sea la pendiente más inclinada) y las constantes de equilibrio (los mínimos de la curva de titulación que representan la pendiente mínima o punto medio dentro de la zona buffer).INTERPRETACION DE RESULTADOS En la práctica se realizó la titulación de ácidos dipróticos y tripróticos. El valor experimental de la primera constante de disociación del ácido sulfúrico es imposible de calcular porque su valor es demasiado alto y no es visible en la curva de titulación.169*106. se esperaba que el primer punto de equivalencia no apareciera en la gráfica y el segundo sí ya que la primera disociación es muy fuerte (pKa1 teórico= -6.1M es de 1.80. Mediante los datos obtenidos en la práctica se realizan las curvas de titulación o disociación y por medio de la primera y segunda derivada de esta gráfica se pueden encontrar fácilmente los puntos de equivalencia (representados por el punto máximo de la curva de titulación. lo cual provocaría pH’s menores a 0 que no pueden ser graficados en una curva de titulación ya que la concentración máxima que puede ser representada en una de estas curvas es de 1M (pH=0). En el caso de este ácido. K1=4. Esto se aprecia en la Gráfica 4. un valor demasiado grande).80 (Ver Hoja de Datos Originales). dando una gráfica de la primera derivada más exacta a la generada por la pendiente entre los datos medidos únicamente. En el tercer punto de equivalencia se encontraría totalmente disociado el ácido y sus anfóteros dejando únicamente el aprótico PO 4-3. dando como resultado una pKa2=2. El segundo máximo. respectivamente. En el caso del ácido fosfórico. en este punto el único anfótero presente es el HPO4-2 ya que en la solución buffer el anfótero anterior H2PO4. fuesen muy grandes (Ver: Resultados. Tabla XVII). en este punto el ácido se ha disociado totalmente para dejar en solución a su primer anfótero (H 2PO4-). es decir el segundo punto de equivalencia. Para calcular los pH de equilibrio teóricos se empleó un diagrama de Sillen de la disociación del ácido 22 . un máximo apreciable.03 (Ver: Resultados. ∆mL.41 (7 ml de NaOH agregados) y pH=9. Los puntos de equivalencia para la titulación del ácido fosfórico con hidróxido de sodio son a pH= 4. Gráfica 1).(Ver: Resultados. reduciendo la zona buffer y corriendo el punto medio hacia arriba (eje de las ordenadas).fue de 1. es decir. La ventaja de usar QtiPLot al derivar la curva de titulación es que toma en cuenta las pendientes entre cada uno de los puntos infinitos entre la curva. Tabla XV) con un error de 2. es menos pronunciado debido a que a partir de los 10 ml de NaOH agregados se tituló con 2ml para cada corrida.38 (14 ml de NaOH agregados). Si se grafican los puntos obtenidos de ∆pH/∆ml vs ml de NaOH se obtienen los máximos en los mismos puntos.sufre tanto una hidrólisis como una disociación. El primer pico representa la posición (ml de NaOH agregados) del primer punto de equivalencia. los saltos en la gráfica de ∆pH/∆mL vs.80. debido a que sus constantes están muy distanciadas (sus valores de pK difieren en más de 5 unidades entre cada uno) se esperaba que los puntos de inflexión.01%. en donde la hidrólisis puede ser despreciable ya que se está titulando con una base fuerte. lo cual hizo que se perdieran los puntos intermedios y el programa graficador no los tomara en cuenta. 255) tiene un error de 0. el valor de la tercera constante de equilibrio (calculado con la Ecuación 1 pues no es visible en la gráfica de la segunda derivada) es igual a pKa3=12.68 con un porcentaje de error de 0. La primer constante de disociación calculada (pKa1=2. También se debe tomar en cuenta que los potenciómetros no estaban calibrados y que se tuvo que compartir el mismo de 23 . al igual que en el ácido sulfúrico un corrimiento vertical del punto medio de la solución buffer al ser reducida la zona buffer. Ecuación 1).157%.86% debido a que el pH inicial de la solución estaba por encima del pKa1 teórico (2. Para el cálculo de las constantes de equilibrio de este ácido se llevó a cabo el método de la segunda derivada de la curva de titulación e igualmente el punto medio entre las zonas buffer generadas durante la disociación (Ver: Muestra de Cálculo.505) tiene un error de 13.76% demostrando que el comportamiento buffer de esa zona fue efectivo. si se toma en cuenta que las soluciones de los ácidos no fueron estandarizadas por razones de tiempo. se puede observar que el error entre datos teóricos y experimentales es pequeño. Por último. La segunda constante de equilibrio calculada (pKa2=7. El método del punto medio es más exacto que la segunda derivada según se aprecia en la Tabla XI (Análisis de error) debido a que el método de la segunda derivada encuentra la pendiente mínima de todos los puntos. Al analizar los valores de pH teóricos y experimentales. los resultados y la comparación de éstos con los resultados experimentales se muestran en la Tabla XVI. mientras que el método del punto medio restringe los puntos a los ubicados en la zona buffer. lo cual provocó cierta incerteza en las concentraciones.2). hubiera sido mejor apreciable si se hubiera seguido titulando el ácido ya que a partir del último cambio drástico de pH solo se agregaron 4 ml más de base generando 2 puntos más únicamente. lo cual provocó.tomando en cuenta que el pH es el valor medio entre las constantes de equilibrio del punto de equivalencia deseado (pH1 = (pka1 + pka2)/2)). por lo que es más conveniente trabajar con números enteros (pH y pK’s).manera simultánea para la medición del pH de las soluciones de ácido sulfúrico y fosfórico. ya que éstos valores son exponentes de base 10. Si se comparan las constantes de equilibrio teóricas y experimentales se obtienen errores sumamente grandes debido a que una décima de pH representa una variación muy grande en términos de concentración. 24 . 5. El método de la primera derivada es el más exacto para hallar los puntos de equivalencia. 4. El pHn del punto de equivalencia n es el punto medio entre las constantes de equilibrio pKan y pKan+1. En el punto de equivalencia n se encuentra en solución únicamente el anfótero HN-nA-n. El método del punto medio de pH buffer para encontrar el valor de pKa es más exacto que el de la segunda derivada. 25 . Los valores de pKa se encuentran en el punto medio de la zona buffer. y por ende no puede ser calculado por los métodos anteriores. 3.CONCLUSIONES 1. 6. 2. La primera constante de equilibrio y el primer punto de equivalencia para ácidos muy fuertes no puede ser visualizado en una curva de titulación. 26 . pdf 2. 13 de mayo de 2012].23/eduCommons/ciencias-biosanitarias/bioquimica-ph-equi librios-aacido-2013-base/contenidos/2. [Ref. 13 de mayo de 2012]. el pH y los equilibrios iónicos” (2008) [PDF]. Alejandro Hill V. Ing.G. Química Analítica. J. México. El agua.%20Curvas%20de%20titulacion%20de% 20acidos%20y%20bases.es/ciencias-de-la-salud/bioqumica/material-de-clase-1/Tema 2_el_agua. Isabel Andrés Cabrerizo. Disponible en internet: http://212. “Tema2. Departamento de Biología Molecular de la Universidad de Cantabria.pdf 3. 1979.128. Editorial El Manual Moderno. Departamento de bioquímica y biología molecular de la Universidad de Salamanca. [Ref. Páginas 113-120. 27 . “Curvas de Titulación de Ácidos y Bases” [PDF]. Disponible en internet: http://ocw.130.BIBLIOGRAFIA 1. Verónica González Núñez. DICK.unican. 28 . 3 29 . Figura 1 Gráfica de la primera derivada de la curva de titulación del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.9.8. es decir los valores máximos).MUESTRA DE CALCULO Método de la primera derivada de la curva de titulación: Método utilizado para encontrar los puntos de equivalencia (muestra el valor medio entre las pendientes más pronunciadas. 9.Método de la segunda derivada de la curva de titulación: Método utilizado para encontrar las constantes de equilibrio de los ácidos (muestra los puntos mínimos y las pendientes mínimas) Figura 2 Gráfica de la segunda derivada de la curva de titulación del ácido fosfórico Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0. Para el primer valor de pKa del ácido fosfórico: 30 . Cálculo de las constantes de equilibrio (método alternativo al método de la segunda derivada. Para calcular el valor pKa.3 Ecuación 1. se establecen los límites de la zona tampón y se halla el punto medio.8. Ecuación 2 Punto medio para el cálculo de pH de equilibrio Sustituyendo para el primer pH de equivalencia del ácido fosfórico: 31 .Diagrama de Sillen Mediante el diagrama de Sillen se encuentran los pH donde conviven dos especies a concentraciones iguales (puntos de equivalencia). 32 . 3. Curva de Titulación del ácido fosfórico 0.8.9.1M Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0. Datos Originales 33 .DATOS CALCULADOS Figura 3. 8549724944989 0.680100020004 1.682271454291 1.684515903181 1.0005601120224 7.Tabla I. 34 .998799759952 7.683019603921 1.8549809961992 0.015803160632 13.3 de la primera derivada Figura 3.8549639927986 Fuente: Hoja de Datos generada con QtiPlot 0.012402480496 7.681523304661 0.8537172434487 0.684515903181 1.995399079816 6.00080016003 14. ∆pH/∆ml NaOH vs ml NaOH agregados para el ácido fosfórico (puntos que muestran los máximos de las curvas de titulación) ml NaOH 6.676478295659 1.002200440088 7.99199839968 6.9973994799 14.8549979995999 0.8544441388278 0.01100220044 14.99399879976 13.8549894978996 0.99059811962 13.0076015203 14.8529903480696 0.9.01440288058 ∆pH/∆ml NaOH 1.00420084017 14.683767753551 1.00900180036 7.8. 01843843843844 Fuente: Hoja de datos generada con QtiPlot de la segunda derivada de la Figura 3 35 .915915915916 1.001426426426426 0. Segunda derivada de pH respecto a ml NaOH vs ml NaOH agregados para el ácido fosfórico (puntos que muestran los mínimos de las curvas de titulación) ml NaOH 1.885885885886 1.840840840841 1.870870870871 1.000116668611 14.978978978979 9.0007882882882883 0.008727477477477 -0.855855855856 1.02402402402 d2pH/d(ml NaOH)2 -0.001126126126126 -0.918918918919 9.410283504725 9.00101353513513 0. Tabla III.01785191441441 0.001013513513513 -0.825825825826 1.002402402402402 -0.900900900901 1.0001501501501501 0.Tabla II.933933933934 9.948948948949 9.000900015 pH 4.002064564564565 -0.001764264264264 -0.02415540540541 -0.00900900901 10.963963963964 9.930930930931 9.38132302205 Fuente: Hoja de Datos generada por la Interpolación de la Figura 3.01441441441441 0. pH del ácido fosfórico en el punto de equivalencia según los ml de NaOH presentados por la primera derivada Punto de equivalencia 1 2 ml NaOH agregados 7.000487987987988 0.006700450450451 0.993993993994 10. 255 12. Ecuación 1 Tabla V.657844797413 Punto Medio 2.505 7.68 Fuente: Hoja de Datos generada por la Interpolación de la Figura 3.7 9.95 Fuente: Muestra de Cálculo: Diagrama de Sillen del Ácido Fosfórico 36 . pKa experimentales del ácido fosfórico por el método de la segunda derivada y por el método del punto medio pKa 1 2 3 Segunda derivada 2.Tabla IV.584523742062 7. pH teórico del ácido fosfórico en sus puntos de equivalencia Punto de equivalencia 1 2 pH 4. 3. Datos Originales 37 .1M Fuente: Elaboración propia en QtiPlot 0.Figura 4. Curva de titulación del ácido sulfúrico 0.8.9. 9. 38 . pH del ácido sulfúrico en el punto de equivalencia según los ml de NaOH presentados por la primera derivada Punto de equivalencia 1 ml NaOH agregados 16.340997749437 4. Tabla VIII.99324831208 15.322993248312 4.99774946736 16.8.347468117029 4.346455363841 4.00225056264 16.02025506377 ∆pH/∆ml NaOH 4.00675168792 16.304988747187 4.82624524905 Fuente: Hoja de Datos generada por la Interpolación de la Figura 4. ∆pH/∆ml NaOH vs ml NaOH agregados para el ácido sulfúrico (puntos que muestran los máximos de las curvas de titulación) ml NaOH 15.348480870218 4.Tabla VII.345442610653 Fuente: Hoja de Datos generada con QtiPlot 0.0032006401 pH 3.3 de la primera derivada Figura 4.9887471868 15.349493623406 4.0112528132 16.01575393848 16. 875468867217*10-6 0.Tabla IX Segunda derivada de pH respecto a ml NaOH vs ml NaOH agregados para el ácido sulfúrico (puntos que muestran los mínimos de las curvas de titulación) ml NaOH 5. pKa experimentales del ácido sulfúrico por el método de la segunda derivada y por el método del punto medio pKa 2 Segunda derivada 2.30832708177 5.007108027006752 -0.304576144036 5.0008889722430607 -0. Ecuación 1 39 .0001800450112528 0.000354463615904 -0.315828957329 5.0003582145536384 Fuente: Hoja de datos generada con QtiPlot de la segunda derivada de la Figura 4 Tabla X.319579894974 5.0001762940735184 1.0005326331582896 -0.312078019505 5.323330832708 d2pH/d(ml NaOH)2 -0.30082520602 5.03 Fuente: Hoja de Datos generada por la Interpolación de la Figura 4.222362472494 Punto Medio 2.297074268567 5. 40 . 2 12.2 7.48% 6. Porcentaje de Error DT DE *100 DT % Error Donde: DT = Dato teórico DE = Dato experimental Sustituyendo para la pKa1 experimental y teórica del ácido fosfórico: | | Tabla XI.7 Porcentaje de error en los valores de pKa del ácido fosfórico pKa por 2ª derivada 2.255 12. Análisis de Error: Ecuación 1 41 .36% %Error 2 13.505 7.657844797413 pKa por punto medio 2. No.68 %Error 1 17.ANALISIS DE ERROR Ecuación 2. 1 2 3 pKa teórica 2.76% 0.157% Fuente: Datos calculados: Tabla IV.86% 0.584523742062 7. Análisis de Error: Ecuación 1 Tabla XIII. Porcentaje de error en los valores de pH en el punto de equivalencia para el ácido fosfórico No.410283504725 9.01% Fuente: Datos calculados: Tabla X.7 9.72% Fuente: Datos calculados: Tabla II y V.38132302205 %Error 6.03 %Error 1 11.99 Porcentaje de error en los valores de pKa del ácido sulfúrico pKa por 2ª derivada 2.95 pH experimental 4.67% %Error 2 2. 1 2 pKa teórica 1.Tabla XII. No.222362472494 pKa por punto medio 2. 1 2 pH teórico 4.16% 5. Análisis de Error: Ecuación 1 42 .
Report "TITULACIÓN DE ÁCIDOS POLIPRÓTICOS Y CURVAS DE DISOCIACIÓN"