VALORACIONES POTENCIOMÉTRICAS ACIDO-BASE: ESTANDARIZACIÓN DE LAS SOLUCIONES Y APLICACIONES Daniela Collazos Betancourt
[email protected] Juan Fernando López Pialejo
[email protected] Departamento de química, Faculta de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad del Valle, sede Yumbo, Colombia Datos, cálculos y resultados Tabla 1. Valoración potenciométricas del 𝐻𝐶 volumen volumen volumen Δ2 𝑝𝐻 de NaOH pH promedio ΔpH/ΔV promedio Δ𝑉 2 0,00 2,99 1,00 3,01 0,50 0,02 2,00 3,03 1,50 0,02 1,50 2,22E-14 3,00 3,05 2,50 0,02 2,50 0,00E+00 4,00 3,08 3,50 0,03 3,50 3,33E-01 5,00 3,12 4,50 0,04 4,50 2,50E-01 6,00 3,16 5,50 0,04 5,50 0,00E+00 7,00 3,21 6,50 0,05 6,50 2,00E-01 8,00 3,28 7,50 0,07 7,50 2,86E-01 9,00 3,35 8,50 0,07 8,50 6,34E-15 10,00 3,47 9,50 0,12 9,50 4,17E-01 11,00 3,61 10,50 0,14 10,50 1,43E-01 12,00 3,88 11,50 0,27 11,50 4,81E-01 13,00 5,3 12,50 1,42 12,50 8,10E-01 13,20 5,8 13,10 2,50 13,10 2,16E+00 13,40 6,14 13,30 1,70 13,30 -2,35E+00 13,60 8,77 13,50 13,15 13,50 4,35E+00 13,80 9,16 13,70 1,95 13,70 -2,87E+01 14,00 9,37 13,90 1,05 13,90 -4,29E+00 14,20 9,56 14,10 0,95 14,10 -5,26E-01 14,40 9,64 14,30 0,40 14,30 -6,88E+00 14,60 9,73 14,50 0,45 14,50 5,56E-01 14,80 9,84 14,70 0,55 14,70 9,09E-01 15,00 10,2 14,90 1,80 14,90 3,47E+00 17,00 10,4 16,00 0,10 16,00 -8,50E+00 18,00 10,52 17,50 0,12 17,50 1,67E-01 Tabla 2. Valoración potenciométricas del 𝐻3 𝑃𝑂4 volumen volumen volumen Δ2 𝑝𝐻 de NaOH pH promedio ΔpH/ΔV promedio Δ𝑉 2 0,00 3,08 2,00 3,17 1,00 0,04 3,00 3,19 2,50 0,02 2,50 -0,02 4,00 3,22 3,50 0,03 3,50 0,01 5,10 3,24 4,55 0,02 4,55 -0,01 6,00 3,29 5,55 0,06 5,55 0,04 7,00 3,32 6,50 0,03 6,50 -0,03 8,00 3,33 7,50 0,01 7,50 -0,02 9,00 3,38 8,50 0,05 8,50 0,04 10,00 3,50 9,50 0,12 9,50 0,07 11,00 3,58 10,50 0,08 10,50 -0,04 13,00 3,76 12,00 0,09 12,00 0,00 13,20 5,25 13,10 7,45 13,10 36,80 13,50 3,54 13,35 -5,70 13,35 -43,83 13,70 5,77 13,60 11,15 13,60 84,25 13,80 5,88 13,75 1,10 13,75 -100,50 14,00 5,96 13,90 0,40 13,90 -3,50 14,30 6,03 14,15 0,23 14,15 -0,56 14,50 6,14 14,40 0,55 14,40 1,58 14,70 6,23 14,60 0,45 14,60 -0,50 14,90 6,30 14,80 0,35 14,80 -0,50 16,00 6,37 15,45 0,06 15,45 -0,26 17,00 6,58 16,50 0,21 16,50 0,15 18,00 6,74 17,50 0,16 17,50 -0,05 19,00 6,88 18,50 0,14 18,50 -0,02 20,00 7,00 19,50 0,12 19,50 -0,02 21,20 7,13 20,60 0,11 20,60 -0,01 22,00 7,27 21,60 0,17 21,60 0,08 23,00 7,35 22,50 0,08 22,50 -0,09 24,00 7,48 23,50 0,13 23,50 0,05 25,00 7,64 24,50 0,16 24,50 0,03 26,00 7,81 25,50 0,17 25,50 0,01 27,00 8,02 26,50 0,21 26,50 0,04 28,00 8,38 27,50 0,36 27,50 0,15 28,20 9,10 28,10 3,60 28,10 16,20 28,40 9,28 28,30 0,90 28,30 -13,50 28,60 9,43 28,50 0,75 28,50 -0,75 28,80 9,58 28,70 0,75 28,70 0,00 29,00 9,66 28,90 0,40 28,90 -1,75 30,00 9,70 29,50 0,04 29,50 -0,36 31,00 9,89 30,50 0,19 30,50 0,15 32,00 10,23 31,50 0,34 31,50 0,15 Tabla 3. Valoración de la muestra de acido acético volumen volumen volumen Δ2 𝑝𝐻 de NaOH pH promedio ΔpH/ΔV promedio Δ𝑉 2 0,00 3,80 1,00 3,92 0,50 0,12 2,00 4,07 1,50 0,15 1,50 0,03 3,00 4,23 2,50 0,16 2,50 0,01 4,00 4,36 3,50 0,13 3,50 -0,03 5,00 4,56 4,50 0,20 4,50 0,07 6,00 4,75 5,50 0,19 5,50 -0,01 7,00 5,00 6,50 0,25 6,50 0,06 8,00 5,21 7,50 0,21 7,50 -0,04 9,00 5,50 8,50 0,29 8,50 0,08 10,00 5,95 9,50 0,45 9,50 0,16 11,00 6,56 10,50 0,61 10,50 0,16 12,00 9,08 11,50 2,52 11,50 1,91 13,00 9,79 12,50 0,71 12,50 -1,81 14,00 10,04 13,50 0,25 13,50 -0,46 15,00 10,19 14,50 0,15 14,50 -0,10 Tabla 4.estandarizacion del 𝑁𝑎𝑂𝐻 volumen volumen volumen Δ2 𝑝𝐻 de NaOH pH promedio ΔpH/ΔV promedio Δ𝑉 2 0,00 4,25 1,00 4,40 0,50 0,15 2,00 4,58 1,50 0,18 1,50 0,03 3,00 4,76 2,50 0,18 2,50 0,00 4,00 4,91 3,50 0,15 3,50 -0,03 5,00 5,04 4,50 0,13 4,50 -0,02 6,00 5,18 5,50 0,14 5,50 0,01 7,00 5,27 6,50 0,09 6,50 -0,05 8,00 5,38 7,50 0,11 7,50 0,02 9,00 5,53 8,50 0,15 8,50 0,04 10,00 5,65 9,50 0,12 9,50 -0,03 11,00 5,79 10,50 0,14 10,50 0,02 12,00 5,94 11,50 0,15 11,50 0,01 13,00 6,12 12,50 0,18 12,50 0,03 14,00 6,33 13,50 0,21 13,50 0,03 15,00 6,66 14,50 0,33 14,50 0,12 15,20 6,78 15,10 0,60 15,10 1,35 15,40 6,85 15,30 0,35 15,30 -1,25 15,60 7,03 15,50 0,90 15,50 2,75 15,80 7,17 15,70 0,70 15,70 -1,00 16,00 7,92 15,90 3,75 15,90 15,25 16,20 7,62 16,10 -1,50 16,10 -26,25 16,40 8,42 16,30 4,00 16,30 27,50 16,60 8,43 16,50 0,05 16,50 -19,75 16,80 9,04 16,70 3,05 16,70 15,00 17,00 9,25 16,90 1,05 16,90 -10,00 17,20 9,34 17,10 0,45 17,10 -3,00 17,40 9,49 17,30 0,75 17,30 1,50 18,40 9,81 17,90 0,32 17,90 -0,43 19,40 10,01 18,90 0,20 18,90 -0,12 20,40 10,13 19,90 0,12 19,90 -0,08 Tabla 5. Concentración en molaridad de las especies determinadas por potenciómetria Especie Concentración Desviación estándar química (mol/L) (mol/L) (solución) 𝑁𝑎𝑂𝐻 0.0094 0.000035 𝐻𝐶𝑙 0.0085 0.00004 𝐻3 𝑃𝑂4 0.0085 0.00004 Tabla 6. Concentración en molaridad de la muestra Especie química Concentración Desviación estándar (mol/L) (mol/L) Ácido acético en la 0.0072 0.00003 muestra analizada Ácido acético en 0.60 1.66 vinagre san Jorge Tabla 7. Porcentaje de RSD Especie química % RSD 𝑁𝑎𝑂𝐻 0.3723 𝐻𝐶𝑙 0.4705 𝐻3 𝑃𝑂4 0.4705 Ácido acético en muestra 0.4166 analizada Ácido acético en vinagre san 2.76 Jorge Gráficas curva de valoracion HCl 15 10 pH 5 0 0 5 10 15 20 volumen de NaOH Gráfica 1. Curva de valoración del 𝐻𝐶𝑙 primera derivada HCl 15 cambio de pH 10 5 0 0 5 10 15 20 volumen de NaOH Gráfica 2. Primera derivada 𝐻𝐶𝑙 segunda derivada HCl cambio del cambio del pH 10 0 0 5 10 15 20 -10 -20 -30 -40 volumen de NaOH Gráfica 3. Segunda derivada 𝐻𝐶𝑙 curva de valoración ácido fosfórico 15 10 pH 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 volumen de NaOH Gráfica4. Curva de valoración 𝐻3 𝑃𝑂4 primera derivada ácido fosfórico 15 10 pH/volumen 5 0 0 10 20 30 40 -5 -10 volumen de NaOH Gráfica 5. Primera derivada 𝐻3 𝑃𝑂4 segunda derivada ácido fosfórico cambio del cambio 100 50 pH/volumen 0 0 5 10 15 20 25 30 35 -50 -100 -150 volumen de NaOH Gráfica 6. Segunda derivada 𝐻3 𝑃𝑂4 curva de valoración del ácido acético (vinagre) 15 10 pH 5 0 0 5 10 15 20 volumen de NaOH Gráfica 7. Curva de valoración muestra problema vinagre primera derivada ácido acético 3 pH/volumen 2 1 0 0 5 10 15 20 valoracion de NaOH Gráfica 8. Primera derivada muestra de vinagre ácido acético segunda derivada ácido acético 4 cambio del cambio 2 pH/volumen 0 0 5 10 15 20 -2 volumen de NaOH Gráfica 9. Segunda derivada muestra de vinagre curva de valoración ftalato ácido de potasio 15 10 pH 5 0 0 5 10 15 20 25 volumen de NaOH Gráfica 10. Curva de valoración ftalato de ácido de potasio primera derivada ftalato ácido de potasio 5 pH/volumen 0 0 5 10 15 20 25 -5 volumen de NaOH Gráfica 11. Primera derivada ftalato ácido de potasio segunda derivada ftalato ácido de potasio 40 cambio del cambio 20 pH/volumen 0 0 5 10 15 20 25 -20 -40 volumen de NaOH Gráfica 12. Segunda derivada ftalato ácido de potasio Reacciones del proceso Reacción 1. Estandarización del Ftalato con NaOH. Reacción2. Valoración del ácido clorhídrico con NaOH. Reacción 3. Valoración del ácido fosfórico con NaOH. Reacción 4. Valoración del ácido acético con NaOH. Cálculo 1.Estandarización del 𝑁𝑎𝑂𝐻 0.0315𝑔𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜 1 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 103 𝑚𝐿𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ ∗ ∗ 16.3000𝑚𝐿𝑁𝑎𝑂𝐻 204.221 𝑔 𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜 1 𝑚𝑜𝑙𝑓𝑡𝑎𝑙𝑎𝑡𝑜 1𝐿𝑁𝑎𝑂𝐻 Cálculo 2. Valoración del 𝐻𝐶𝑙 13.5𝑚𝐿𝑁𝑎𝑂𝐻 0.0094 𝑚𝑜𝑙𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙𝐻𝐶𝑙 103 𝑚𝐿𝐻𝐶𝑙 ∗ ∗ ∗ 15.0000 𝑚𝐿𝐻𝐶𝑙 103 𝑚𝐿𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝐿𝐻𝐶𝑙 Cálculo 3. Valoración 𝐻3 𝑃𝑂4 13.60 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 0.0094 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻3 𝑃𝑂4 103 𝑚𝐿 𝐻3 𝑃𝑂4 ∗ ∗ ∗ 15.00 𝑚𝐿 𝐻3 𝑃𝑂4 103 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝐿 𝐻3 𝑃𝑂4 Cálculo 4. Valoración ácido acético 11.50 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 0.0094 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 103 𝑚𝐿 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 ∗ ∗ ∗ 15.00 𝑚𝐿 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 103 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 𝐿 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 𝑃 Cálculo 5. Ácido acético en % 𝑉 0.0072 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 60.00 𝑔 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 1 𝑝 ∗ 0.1 𝐿 ∗ ∗ ∗ 100 = 4.32% ⁄𝑣 1𝐿 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 1.00 𝑚𝐿 Cálculo 6. Porcentaje de error 𝑝 El vinagre de la muestra está en una concentración al 5.00% ⁄𝑣 (5.00 − 4.32)% %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = ∗ 100 = 13.6% 5.00% Ecuación 1. Desviación estándar relativa 𝑆 %𝑅𝑆𝐷 = 𝑋̃ ∗ 100 Ecuación 2. Propagación del error estandarización del 𝑁𝑎𝑂𝐻 1 2 𝑥 2 103 𝑆𝑀 = √((𝑧) ∗ (𝑆𝑥 )2 + (𝑧 2 ) ∗ (𝑆𝑧 )2 ) ∗ 204.221 Ecuación 3. Propagación del error para la titulación potenciométrica y para la muestra problema vinagre San Jorge 𝑦 2 𝑥 2 2 𝑥∗𝑦 2 𝑆𝑀 = √(( 𝑧 ) ∗ (𝑆𝑥 )2 + (𝑧 ) ∗ (𝑆𝑦 ) + ( 𝑧 2 ) ∗ (𝑆𝑧 )2 ) Ecuación 4. Porcentaje de error 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜−𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = ∗ 100 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 Discusión de resultados Se determinó en las soluciones problema la concentraciones 𝐻𝐶𝑙 , 𝐻3 𝑃𝑂4 y la muestra problema vinagre marca san Jorge, mediante la técnica de la potenciómetria indirecta generando como resultado los valores reportados en la tabla 5 y 6 respectivamente; para determinar el punto de equivalencia de las especies, se graficaron sus respectivas curvas de valoración. En donde se tomó el pH con el volumen de 𝑁𝑎𝑂𝐻 añadido, en la determinación se utilizó la primera y segunda derivada, esto se realizó para tomar con mayor exactitud y precisión sobre el punto de equivalencia según las gráficas de la 1 a la 12. La muestra problema se tomó 1.2000 𝑚𝐿 de vinagre el cual se diluyó hasta 100,00 𝑚𝐿 de solución, se sacó de esta disolución 15.0000 𝑚𝐿 solución de vinagre valorándose obteniéndose la concentración 0.60 𝑀 ± 1.66𝑀, contrastándose este valor con la concentración reportada con el vinagre san Jorge es de 5%p/V o 0.8 𝑀 donde ácido acético en solución, al realizar la prueba de contraste t, primer caso no se pudo realizar, debido a que solo existe, un solo dato tomado experimentalmente, por lo cual se debe tomar el análisis por utilizar intervalos de confianza. En el análisis de precisión se analizó aplicando la prueba del %RSD, según la tabla 7 se observa que la determinación más precisa es la de la estandarización del 𝑁𝑎𝑂𝐻 debido a que este dio el %RSD más bajo siendo este 0.3723 % y por lo tanto el más preciso, esto probablemente se debe a que se utilizó en primer lugar a una base fuerte para titular un ácido débil, el ftalato ácido de potasio, al ser este una sustancia no higroscópica, y salto de equivalencia alto[2] este permite determinar la concentración del hidróxido de sodio con mayor precisión, en contraste con el análisis de la muestra del vinagre san Jorge donde se determinó ácido acético, resultando ser el mayor con %RSD 2.76% y por lo tanto menor la presión de la determinación del analito, en este caso el ácido acético este se puede deber, principalmente a la fuerza del ácido acético, siendo 𝐾𝑎 1.73 ∗ 10−5 [1] y esto se corrobora en la gráfica 7 donde se ve el salto no está muy definido y no se observa un cambio brusco en pH, y esto acompañado que está a bajas concentraciones, ayuda a disminuir la presión en la determinación del ácido acético en vinagre. En el análisis de la exactitud se determinó en el ácido acético, el % error es del 13.6% , debido a que el porcentaje de error es alto la exactitud del método en la determinación del ácido acético es baja, esto concuerda con la desviación estándar también es alta, debido a que el intervalo es amplio, la concentración reportada del 𝑝 5 % 𝑣 𝑜 0.8 𝑀 en el vinagre entra en este intervalo y por lo tanto la muestra cumple con lo reportado en la etiqueta del producto. Conclusiones Se concluyó que Los ácidos débiles y a bajas concentraciones al determinarlos por valoraciones potencio métricas se registra bajas concentraciones y baja exactitud Se determinó que ácidos fuertes al determinarlos por valoraciones potenciométricas se observa una buena precisión y exactitud Cumple la muestra del vinagre la marca SAN JORE con la concentración reportada en la etiqueta del producto Preguntas 1. ¿Qué ocurre en las valoraciones ordinarias cuando la concentración de los reaccionantes es muy pequeña? ¿Será correcto en estos casos utilizar un indicador? Lo que sucede es que las concentraciones al ser pequeñas, el punto final es difícil de apreciar, ya sea mediante el uso de un indicador o con las gráficas si se hace con un pH-metro. No es recomendable el uso de indicador, ya que si la concentración de éste es mayor que la de los reaccionantes, él podría reaccionar con el analito o el titulante, haciendo que posiblemente se llegue a una confusión cuando se muestre un cambio el viraje; se puede creer que es el resultado de la interacción analito y titulante, cuando la verdad puede ser indicador y analito o titulante. 2. ¿Cuál es el indicador químico apropiado para una valoración de un ácido débil con una base débil? El indicador químico apropiado para una valoración de ese tipo, es uno en el que el viraje se dé entre la escala de 6,0-7,0 en el pH, ya que es el ideal para reconocer el punto final de la solución, si llegar a pasarse. Un ejemplo de indicador, puede ser el azul de bromo timol. 3. La valoración de ácidos muy débiles es difícil de realizar con el método aquí descrito. Sin embargo, el uso de reactivos auxiliares puede aumentar en gran medida la exactitud del análisis. El ácido bórico (pK=9.2) se puede titular con una base fuerte en presencia de un reactivo auxiliar orgánico que posea al menos dos grupos hidroxilos, describa brevemente el mecanismo de acción de un reactivo auxiliar en la titulación del ácido bórico. Si en la solución del ácido se adiciona un reactivo auxiliar orgánico que posea grupos hidroxilos, que al formar un enlace en el H3BO3 pueden hacer que se comporte como un ácido fuerte, de la siguiente manera: El ácido en solución reacciona con el polialcohol por medio de los grupos OH de este, formando un complejo anionico y liberando en el proceso agua e iones hidrionio de acuerdo a las siguientes reacciones: B(OH)+ H2L ↔ B(OH)L- + H2O + H+ B(OH)3 + 2H2L ↔BL2- + 3H2O+ H+ Donde H2L es un diol o polidiol. Así mismo ahora que la solución presenta carácter ácido puede neutralizarse con una base, reaccionando los iones H + provenientes el ácido complejado con los iones OH- de la base. De igual modo la relación entre las concentraciones del polialcohol (C L) y el ácido bórico (CB) ayuda a incrementar la eficiencia de la titulación. A tal punto que una relación de CL/CB=10-15, permite observar con mayor facilidad el punto de equivalencia.[2] Bibliografía [1] SKOOG; WEST; Fundamentos de química analítica; Décima edición; editorial CENGAGE; México; 2015; pág. A8 [2] CELESTE, M., AZEVEDO, C., & CAVALEIRO, A. M. (2012). The Acid-Base Tritation of a Very Weak Acid: Boric Acid. Journal of Chemical Education, 767-770