Valoraciones ácido base

Valoraciones ácido-base: material y montaje de laboratorio

Una valoración (o volumetría) ácido-base es una técnica de laboratorio que se utiliza para determinar la concentración desconocida de un ácido o una base. Se logra haciendo reaccionar la disolución de concentración desconocida (llamada analito) con una disolución de concentración exactamente conocida (llamada valorante).
Si el analito es una base, el valorante será un ácido. Y viceversa.

El montaje y procedimiento es el siguiente:

Preparación:

Se coloca un volumen conocido de nuestro analito con una pipeta en el matraz Erlenmeyer, junto con unas gotas de un indicador ácido base (hablaremos de él más adelante) y un poco de agua destilada.

Se coloca el valorante en la bureta.

Valoración:

Se abre la bureta, para que el valorante caiga gota a gota al matraz. Así, comienza la neutralización ácido base. Debe agitarse el matraz para que el contenido de la bureta reaccione de forma uniforme con todo el analito. 

Punto de equivalencia: 

Cuando todo el analito se consume, se llega al punto de equivalencia. Identificaremos ese momento porque el matraz cambia de color debido al cambio de color del indicador.

En este punto, el número de moles de valorante añadido es la cantidad que genera una neutralización exacta. 

Cálculos: 

Finalmente, viendo el volumen de valorante utilizado, podemos calcular la concentración de analito. 

Ejemplo: Para la determinación del contenido en ácido acético de un vinagre comercial, 10 mL de vinagre se diluyen con agua hasta un volumen final de 35 mL. La neutralización exacta de esta disolución consume 30 ml de disolución acuosa de hidróxido de sodio, NaOH, 0,1 M.

a) Calcule la concentración del ácido acético en el vinagre comercial. 

b) Indique el nombre del material de laboratorio que contiene la disolución acuosa de NaOH.

Solución

a) Calcule la concentración del ácido acético en el vinagre comercial. 

Escribamos la reacción de neutralización del proceso:

Como la reacción estequiométrica entre el ácido acético y el hidróxido de sodio es 1:1, sabemos que en el punto de equivalencia, donde la proporción de moles de uno y otro es la estequiométricamente exacta, el número de moles de uno y de otro son iguales.

O lo que es lo mismo:

Como queremos conocer la concentración de vinagre, la despejamos en la expresión:

Fíjate que hemos usado los 10 mL de ácido, y no los 35 tras la dilución. 

Es habitual hacer diluciones en las valoraciones para que el cambio de color se vea mejor. Pero realmente, al no cambiar el número de moles del analito, no hace falta tener en cuenta esa adición de agua para los cálculos. Lo que nos interesa es la concentración del ácido (es decir, número de moles entre volumen del ácido) no de la disolución diluida. 

 

b) Indique el nombre del material de laboratorio que contiene la disolución acuosa de NaOH.

En una valoración, la sustancia de concentración conocida debe colocarse en la bureta, y la de concentración desconocida, en el matraz. 

El NaOH es el valorante, de concentración exactamente conocida. Así que irá en el matraz. 

Como elegir un indicador de pH.

Un indicador ácido-base es una sustancia que cambia de color en función del pH de la disolución. Se utilizan en las valoraciones para detectar el punto final de la reacción.

Son generalmente ácidos o bases débiles que tienen diferentes colores en su forma ácida y en su forma básica.

El proceso sería algo así:

Si estamos en un medio muy ácido (gran concentración de protones), el equilibrio de reacción del indicador se desplazará hacia la izquierda, volviéndose la disolución predominantemente violeta. 
Si estamos en un medio muy básico (concentración muy alta de OH-, que consumen los protones), el equilibrio se desplazará hacia la derecha, volviéndose el matraz predominantemente verde. 

Para que el cambio de color se vea de forma efectiva, debemos encontrar un indicador que cambie de color de forma muy drástica. Es preferible usar un indicador que cambie de incoloro a rojo, que uno que cambie de azul oscuro a azul claro. 

Existen tablas donde podemos ver a qué pH cambia cada indicador y entre qué colores. Y esta información será clave para elegir uno u otro en nuestra valoración.

El intervalo de pH alrededor del cual el indicador cambia (llamado también intervalo de viraje),  debe asemejarse lo máximo posible al pH al que se produce le punto de equivalencia.

Teniendo en cuenta que en el punto de equivalencia se han consumido todo el ácido y toda la base, solamente queda un elemento que puede modificar el pH: la sal formada. 

Así que debemos recurrir a nuestro conocimiento en hidrólisis de sales para pensar el pH aproximado que tendrá la disolución en ese punto, teniendo en cuenta el tipo de sal correspondiente. 

Ejemplo: Indique, de forma razonada, el carácter ácido, básico o neutro de la disolución acuosa resultante de la neutralización exacta de una disolución acuosa de ácido acético, CH3COOH, de concentración desconocida, con una disolución acuosa de hidróxido sódico, NaOH, de concentración conocida.

Proponga, de forma razonada, qué indicador de los recogidos en la siguiente tabla utilizaría para detectar el punto final de la neutralización, y qué cambio de color se observaría en el punto de equivalencia.

Solución

Para responder a la primera parte, debemos estudiar la hidrólisis de la sal que se genera en la neutralización:

El ion acetato viene del ácido acético. Ácido débil. Por tanto, su base conjugada tiene la suficiente fuerza para hidrolizarse. Reacciona con el agua, liberando iones OH-. 

El ion sodio viene del hidróxido de sodio. Base fuerte. Por tanto, su ácido conjugado no tiene la suficiente fuerza para hidrolizarse. No reacciona con el agua. 

Como el único ion que se hidroliza es el acetato, basificando el medio, la disolución de acetato de sodio obtenida en el punto de equivalencia tiene un pH básico. 

Eso nos lleva a la siguiente parte: la elección del indicador. Tenemos que elegir uno en el que el cambio de color se produzca a un pH parecido al de la hidrólisis de la sal. En este caso la elección está clara: fenolftaleína. 

Como la fenolftaleína está en el matraz Erlenmeyer, junto con el analito (ácido acético), el color inicial será el que tiene a pH ácido: incoloro. Al llegar al punto de equivalencia, el color en el matraz virará a rosa. 

Ejercicios resueltos.

1. Se valoran 25.00 mL de una disolución de ácido clorhídrico (HCl) 0.150 M con una disolución de hidróxido de sodio (NaOH) 0.200 M.

a) Calcula el volumen de NaOH necesario para alcanzar el punto de equivalencia.

b) Selecciona un indicador adecuado para esta valoración, utilizando la tabla de indicadores.

Solución

a) Calcula el volumen de NaOH necesario para alcanzar el punto de equivalencia.

En el punto de equivalencia, los moles de base añadidos son los exactos para generar la neutralización del ácido. Viendo la reacción de neutralización, vemos que la relación estequiométrica es 1:1.

Por tanto, en el punto de equivalencia:

b) Selecciona un indicador adecuado para esta valoración, utilizando la tabla de indicadores.

En el punto de equivalencia todo el ácido y la base se han consumido. Solamente queda una especie que puede modificar el pH: la sal. 

Para ver el pH que genera la sal en ese momento, no tenemos más que estudiar su hidrólisis:

El ion sodio es el ácido conjugado del hidróxido de sodio. Al ser el NaOH una base fuerte, su ácido conjugado no tendrá la suficiente fuerza como para hidrolizarse. No modifica el pH.

El ion cloruro es la base conjugada del ácido clorhídrico. Al ser el HCl un ácido fuerte, su base conjugada no tendrá la suficiente fuerza como para hidrolizarse. No modifica el pH.

Como ninguno de los dos iones se hidrolizan ni afectan al pH, el pH del punto de equivalencia será neutro. Por tanto, la elección será el azul de bromotimol, que vira en un intervalo neutro. Cambia de amarillo a azul en el proceso. 

2. Se valoran 0,25 L de una disolución 0,4 M de HCl con una disolución 0,25 M de Ca(OH)2. ¿Cuánto volumen de hidróxido usarías para neutralizar el ácido por completo?

¿Qué indicador usarías para identificar el punto de equivalencia?

Solución

En el punto de equivalencia, los moles de base añadidos son los exactos para generar la neutralización del ácido. Viendo la reacción de neutralización, vemos que la relación estequiométrica es 1:2.

Por tanto, en el punto de equivalencia:

Para ver el pH que genera la sal en ese momento, no tenemos más que estudiar su hidrólisis:

El ion calcio es el ácido conjugado del hidróxido de calcio. Al ser el Ca(OH)2 una base fuerte, su ácido conjugado no tendrá la suficiente fuerza como para hidrolizarse. No modifica el pH.

El ion cloruro es la base conjugada del ácido clorhídrico. Al ser el HCl un ácido fuerte, su base conjugada no tendrá la suficiente fuerza como para hidrolizarse. No modifica el pH.

Como ninguno de los dos iones se hidrolizan ni afectan al pH, el pH del punto de equivalencia será neutro. Por tanto, la elección será el azul de bromotimol, que vira en un intervalo neutro. Cambia de amarillo a azul en el proceso.