Universidad del Valle de GuatemalaDepartamento de Química Química Analítica Practica No. 13 TITULACIÓN POTENCIOMÉTRICA Franny Casasola Ramírez, Carné: 11068 Sección de Laboratorio No. 31 Grupo No. 3 Fecha de Realización de Práctica: 26/04/2013 Fecha de entrega de reporte: 03/05/2013 2 I. Sumario Se realizó esta práctica con el objetivo comprender y aplicar prácticamente un equipo de potenciometría con un electrodo combinad, para determinar cuantitativamente el punto de equivalencia de la titulación ácido base, aplicando el método potenciométrico. Para lo cual se utilizó una solución de Ácido Clorhídrico 0.0987 ±1.147M y una solución de Hidróxido de Sodio 0.0926M. Además, se utilizó una pipeta graduada de 25.00 ± 0.03mL y otra de 50.0 ±0.01mL, una bureta de 50.00 ± 0.05mL, erlenmeyers de 250 mL, un potenciómetro DAIGGER ±0.01pH y un agitador CSA pc-320. Los reactivos empleados en la práctica fueron Ácido Clorhídrico, FERMONT al 37% de pureza e Hidróxido de Sodio, FERMONT al 99% de pureza. Se llevó a cabo tres Titulaciones Potenciométricas, la primera de control, la segunda con el indicador naranja de metilo y la tercera con el indicador fenolftaleína. En la Titulación de Control el punto de equivalencia se determinó a los 27.40 ± 0.05 mL de NaOH. En la Titulación con Naranja de Metilo, el punto de equivalencia se dio a los 27.60 ±0.05 mL de NaOH con un pH de 4.70 ±0.01pH, y con la característica de un cambio de color a naranja, siendo el inicial de rosado fosforescente. En la última titulación con Fenolftaleína, el punto de equivalencia se dio a los 27.40 ±0.05 mL de NaOH con un pH de 4.27 ±0.01pH. Las posibles fuentes de errores fueron errores sistemáticos en la determinación del punto final de la titulación, en la lectura de volúmenes y en las lecturas de pH con el potenciómetro. Se recomienda ser lo más cuidadosos posibles al realizar las mediciones, transferir las soluciones y titular. 3 II. Marco Teórico Métodos Potenciométricos: Se puede describir la potenciometría simplemente como la medición de un potencial en una celda electroquímica. Es el único método electroquímico en el que se mide directamente un potencial de equilibrio termodinámico y en el cual esencialmente no fluye corriente neta. El instrumental necesario para las medidas potenciométricas comprende un electrodo de referencia, un electrodo indicador y un dispositivo de medida de potencial (Hernández, 2002). Electrodos de referencia: En muchas aplicaciones es deseable que el potencial de media celda de uno de los electrodos sea conocido, constante y completamente insensible a la composición de la solución en estudio. Un electrodo con estas características, se denomina electrodo de referencia (Hernández, 2002). Un electrodo de referencia debe ser fácil de montar, proporcionar potenciales reproducibles y tener un potencial sin cambios con el paso de pequeñas corrientes. Dos electrodos comúnmente utilizados que satisfacen estos requisitos son el Electrodo de Calomel y el Electrodo de Plata- Cloruro de Plata (Hernández, 2002). Electrodos indicadores: Junto con el electrodo de referencia se utiliza un electrodo indicador cuya respuesta depende de la concentración del analito. Los electrodos indicadores para las medidas potenciométricas son de dos tipos fundamentales, denominados metálicos y de membrana. Estos últimos se denominan también electrodos específicos o selectivos para iones (Hernández, 2002). Soluciones Patrón: Estas soluciones son las que desempeñan una función principal en las valoraciones volumétricas. Para que una solución sea considerada patrón es necesario que sea estable, para no tener que estar determinando su concentración cada vez que se utiliza. Es necesario que reaccione rápidamente con el analito a tratar, además de que reaccione lo más posible con el analito, para poder obtener puntos finales lo más cercanos al punto real de equivalencia. Además, se necesita que sea una reacción selectiva, en caso de que el analito no se encuentre completamente puro en la solución a analizar. (Skoog, 2005). Debido a que se necesita conocer la concentración de estas soluciones para realizar las valoraciones, es necesario determinar inicialmente la concentración de esta mediante métodos conocidos. Básicamente hay dos caminos para ello: el método direto, que consiste en que una cantidad del patrón primario se pesa cuidadosamente y se disuelve en un solvente adecuado y luego se diluye hasta un volumen conocido y lo más exacto posible, esto en un balón volumétrico. El otro camino es el método de estandarización, en la que se valora esta solución con una cantidad pesada de un patrón primario, secundario o bien un volumen medido de otra solución estándar. (Skoog, 2005). 4 Puntos de equivalencia y puntos finales: El punto de equivalencia en las valoraciones son los puntos teóricos en los que la cantidad de moles del analito es equivalente a la cantidad de moles de la solución patrón utilizada. Debido a que es prácticamente imposible determinar este punto experimentalmente, se encuentra un punto cercano, en el cual se pueda observar el cambio físico que conlleva el cambio químico en el punto de equilibrio. Generalmente este punto se encuentra mediante la presencia de indicadores en las soluciones, los cuales cambian ya sea de color o de densidad (al formar sustancias gelatinosas o precipitados) dentro de las soluciones. (Skoog, 2005). Indicadores: El pH (que es una escala logarítmica en la que se expresa la concentración de iones hidronio), puede determinar el transcurso de una reacción. Un indicador de pH es una solución que se agrega al analito y que no reacciona con este, pero que tiene la propiedad física de cambiar de color dependiendo de la concentración de iones hidronio, en otras palabras varía dependiendo del pH. Existe una gran gama de este tipo de soluciones, estas dependiendo del uso que se necesite, ya que no todas tienen el cambio físico en el mismo pH. Hay soluciones que pueden cambiar de color (a lo que se le conoce como viraje) que pueden tener un cambio muy cercano al punto de equivalencia, o bien en un cambio mínimo de pH siempre que se encuentren en medio ácido, y también existen los que viran en medio básico. Debido a esto, es recomendable conocer como se comportarán las soluciones a valorar, ya que la variación de pH es diferente para cada valoración con diferentes soluciones a valorar. (Christen, 1986). Así como existen diferencias en el pH, existen también soluciones que pueden servir como indicadores. Dentro de estas soluciones se encuentran las que contienen cromo, las cuales son ideales en las valoraciones de óxido-reducción ya que dependiendo del estado de oxidación del cromo el color de la sustancia varía. De allí su nombre, ya que en latín chromo significa color. (Christen, 1986). Desviación Estándar de los Resultados Calculados: Al realizar cálculos en el laboratorio, se puede estimar el valor de la desviación estándar a partir de las ecuaciones mostradas a continuación, suponiendo que las variables a, b y c son experimentales, y sus desviaciones son Sa, Sb y Sc respectivamente (Cabrera, 2007). A. Ecuaciones Ecuación No. 1: Propagación de error en cálculos de suma y resta. = √ 2 + 2 + 2 Ecuación No. 2: Propagación de error en los cálculos de multiplicación y división. = √ ( ) 2 +( ) 2 +( ) 2 5 Ecuación No. 3: Media. = ∑ N= número total de datos Xi= Sumatoria de los datos Ecuación No. 4: Desviación Estándar. = √ ∑− −1 S= desviación estándar X= media Xi= sumatoria de los datos Ecuación No. 5: Intervalo de Confianza. = ± √ B. Reacciones Químicas Reacción No. 1: Neutralización de HCl con NaOH. + → + 2 III. Resultados Finales Tabla No. 1: Puntos de Equivalencia de las Titulaciones. DESCRIPCIÓN DATO Volumen NaOH en Titulación de Control 27.40 ±0.05 mL Volumen NaOH en Titulación con Naranja de Metilo y pH punto de equivalencia 27.60 ±0.05 mL y 4.70 ±0.01pH Volumen NaOH en Titulación con Fenolftaleína y pH punto de equivalencia 27.40 ±0.05 mL y 4.27 ±0.01pH IV. Discusión El objetivo principal de la práctica era determinar cuantitativamente el punto de equivalencia en la titulación ácido-base con concentración conocida. Para ello era necesario saber a usar el potenciómetro, las buretas y las pipetas volumétricas. Para esta práctica, era importante tener preparadas las soluciones de ácido clorhídrico e hidróxido de sodio. Ya con las soluciones listas, se debía preparar el potenciómetro para comenzar a utilizarlo. Se debían realizar tres titulaciones de diferentes tipos, una sin indicador, una con rojo de metilo y la última con fenolftaleína. A través del potenciómetro se podía estudiar a fondo la titulación ácido-base fuerte porque se podía realizar una medición exacta del pH con cada volumen de NaOH agregado. En base al volumen al que viró la titulación sin indicador fue que se realizaron las otras dos titulaciones. 6 Con los datos de pH y volumen de NaOH se obtuvieron las gráficas de pH, la primera derivada y segunda derivada de la titulación con fenolftaleína. En la gráfica de pH se puede observar un cambio drástico alrededor de un volumen entre 26.0 y 27.0 mL y el punto de inflexión representa el punto de equivalencia; Así mismo, en la gráfica de la primera derivada se puede ver una forma de campana y el pico más alto representa el punto de equivalencia; en la segunda derivada se observa que existe una asíntota vertical que representa el punto de equivalencia y a cada lado la gráfica tiende a infinito y a menos infinito. En la titulación con naranja de metilo el indicador tuvo su punto de viraje en 27.60 mL con un pH de 4.70, y con el fenolftaleína fue en 27.40 mL con un pH de 4.27. El cambio de pH fue drástico entre 4 y 11, así pues tenemos el indicador naranja de metilo que vira en 4.2-6.2 y la fenolftaleína que vira en 8.2-10.0, lo cual los hacen adecuados para esta titulación debido a los puntos en los cuales se llega a la equivalencia. La diferencia de volumen de NaOH entre cada indicador es de 0.5mL. Existe una pequeña diferencia al utilizar un indicador diferente, pero esta diferencia es mínima, así que si se pueden obtener resultados confiables con estos indicadores. Las posibles fuentes de error fueron errores sistemáticos, porque al momento de la determinación del punto de final de la titulación se pudo haber pasado el punto de viraje, y también afecta cuando se realizan mal las lecturas de los volúmenes y cuando se realiza la lectura del pH en el potenciómetro. Se recomienda ser lo más cuidadosos posibles al realizar las mediciones, transferir las soluciones, titular, calibrar el potenciómetro y al realizar las mediciones con él mismo dentro de la solución porque la lectura se debe estabilizar al agregar NaOH. V. Conclusiones 1. Se utilizaron 25.0 mL de HCl en todas las titulaciones. En la primer titulación sin indicador el punto de equivalencia estuvo a los 27.40 mL de NaOH. 2. El naranja de metilo tuvo su punto de viraje en 27.60 mL con un pH de 4.70 y la fenolftaleína viró en 27.40 mL con pH de 4.27. 3. Las posibles fuentes de error fueron sistemáticas, porque se pudo haber pasado el punto de viraje, leído mal el volumen utilizado o leer mal el pH en el potenciómetro al no dejar estabilizar. VI. Apéndice A. Procedimiento Se siguió el procedimiento de la Guía de laboratorio No. 12: “Titulación Potenciométrica de un ácido y una base fuerte” de la Ing. Jeannette Barrios del año 2013. Modificaciones: Se utilizó el indicador naranja de metilo en lugar del rojo de metilo. 7 B. Datos Originales Tabla No. 2: Datos originales con el indicador Fenolftaleína. Volumen NaOH (± 0.1 ml) pH experimental (± 0.01 pH) 0.00 1.44 5.00 1.46 10.00 1.54 15.00 1.60 20.00 1.89 25.00 2.43 26.00 2.66 26.50 2.89 26.60 2.98 26.90 3.28 27.00 3.44 27.20 3.76 27.30 3.94 27.40 4.27 27.50 5.58 27.60 5.60 27.70 5.80 27.80 6.21 27.90 6.82 28.00 9.25 28.10 9.71 28.20 9.98 28.30 10.22 28.40 10.29 28.50 10.41 29.60 11.05 30.60 11.33 35.60 11.82 40.70 12.03 C. Cálculo de Muestra Cálculo No.1: cambio de volumen para la primera derivada ∆=2−1 ∆=9.8±0.05 −4.8±0.05 ∆=5.0±0.07 *Se realizó el mismo procedimiento para todos los datos. 8 Cálculo No.2: cambio de pH para la primera derivada ∆=2−1 ∆=1.75±0.01−1.58±0.01 ∆=0.17±0.014 *Se realizó el mismo procedimiento para todos los datos. Cálculo No.3: cálculo primera derivada 1.=∆∆ 1.=0.17±0.0145.0±0.07 =0.034 *Se realizó el mismo procedimiento para los siguientes datos. Cálculo No.4: cálculo segunda derivada 2.=∆(∆∆ )∆ 2.=0.30/−0.34/5.0±0.07 =−0.0080 *Se realizó el mismo procedimiento para los siguientes datos. D. Análisis de error “No Hay” E. Datos Calculados Tabla No. 3: Datos intermedios calculados de la primera y segunda derivada. ΔpH/ΔV, pH/mL Δ 2 pH/ΔV 2 , pH 2 /mL 2 0.00 0.02 0.00 0.01 0.00 0.06 0.01 0.11 0.01 0.23 0.12 0.46 0.46 0.90 4.40 1.00 0.33 1.60 6.00 1.60 0.00 1.80 2.00 3.30 15.00 13.10 98.00 9 0.20 -129.00 2.00 18.00 4.10 21.00 6.10 20.00 24.30 182.00 4.60 -197.00 2.70 -19.00 2.40 -3.00 0.70 -17.00 1.20 5.00 0.58 -0.56 0.28 -0.30 0.10 -0.04 0.04 -0.01 F. Referencia Bibliográfica Cabrera, N. 2007. Fundamentos de química analítica básica: Análisis cuantitativo. 2ª ed. Universidad de Caldas. 290pp. Christian, G. 2009. Química Analítica. Sexta edición. México. Editorial Mc-Graw-Hill. Pags: 828 Skoog, D. 2005. Fundamentos de Química Analítica. Octava edición. México. Editorial Thomson. Págs. 1065 Hernández, L. 2002. Introducción al análisis instrumental. 1ª edición. Editorial Ariel, S.A. 465 pp. VII. Tabla de Datos Experimentales (Ver fotocopias adjuntas). Gráfico No. 1: Curva de titulación potenciométrica con Fenolftaleína. 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 p H Volumen NaOH, mL pH - Volumen de NaOH ( Usando Fenoftaleína) pH experimental (± 0.01 pH) 11 Gráfico No. 2: Primera derivada de la Titulación con Fenolftaleína. -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 27.00 27.20 27.40 27.60 27.80 28.00 28.20 28.40 28.60 28.80 29.00 Δ p H / Δ V , p H / m L Volumen NaOH, mL Primera derivada (Fenoftaleina) ΔpH/ΔV, pH/mL 12 Gráfico No. 3: Segunda derivada de la titulación con Fenolftaleína. -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 27.00 27.10 27.20 27.30 27.40 27.50 27.60 27.70 27.80 27.90 28.00 28.10 28.20 28.30 28.40 28.50 28.60 Δ 2 p H / Δ V 2 , p H 2 / m L 2 Volumen NaOH, mL Segunda derivada (Fenoftaleina) Δ2pH/ΔV2 , pH2/mL2