Aplicaciones de las titulaciones de neutralización (C) PDF

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APLICACIONES DE LAS TITULACIONES DE NEUTRALIZACIÓN (Material de estudio para ser usado en los laboratorios de Química Analítica)

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APLICACIONES DE LAS TITULACIONES DE NEUTRALIZACIÓN Las titulaciones de neutralización se emplean ampliamente para determinar la concentración de analitos que por sí mismos son ácidos o bases o que pueden transformarse en estas especies mediante un tratamiento adecuado. El agua es el disolvente común para las titulaciones de neutralización ya que es fácil de adquirir, de bajo costo e inocua. Aquí el análisis se limitará a sistemas acuosos. REACTIVOS PARA LAS TITULACIONES DE NEUTRALIZACIÓN Ya conocemos que los ácidos fuertes y bases fuertes producen el cambio más acentuado en el pH en el punto de equivalencia. Por esta razón, las soluciones patrón para las titulaciones de neutralización se preparan siempre con estos reactivos. Preparación de soluciones patrón ácidas El ácido clorhídrico se emplea ampliamente para la titulación de bases. Las soluciones diluidas de HCl son muy estables y no ocasionan problemas por reacciones de precipitación con la mayoría de los cationes. Las soluciones de ácido perclórico y ácido sulfúrico también son estables y son útiles para las titulaciones en las que el ion cloruro interfiere formando precipitados. Las soluciones patrón de ácido nítrico rara vez se utilizan debido a sus propiedades oxidantes. Las soluciones patrón de ácidos se preparan por dilución de un volumen aproximado del reactivo concentrado y posterior valoración o estandarización de la solución diluida frente a un patrón primario básico. Valoración o estandarización de ácidos Carbonato de sodio Con frecuencia los ácidos se valoran con cantidades conocidas de carbonato de sodio. Se encuentra comercialmente el patrón primario de grado reactivo o se puede preparar calentando hidrógeno carbonato de sodio puro entre 270 y 300°C, durante una hora. En la titulación del carbonato de sodio se observan dos puntos finales. El primero corresponde a la conversión del carbonato en hidrógeno carbonato y ocurre aproximadamente a un pH de 8.3; el segundo, que implica la formación de ácido carbónico y dióxido de carbono, se observa aproximadamente a un pH de 3.8. El segundo punto final es el que se emplea siempre para las valoraciones, ya que el cambio de pH es mayor que el del primero. Se puede lograr un punto final más preciso si la solución se hierve ligeramente para eliminar los productos de la reacción, el ácido carbónico y el dióxido de carbono. La muestra se titula hasta la primera aparición del color ácido del indicador (como el verde de bromocresol o el anaranjado de metilo). En este punto, la solución contiene una gran cantidad de dióxido de carbono disuelto y pequeñas cantidades de ácido

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carbónico y de hidrógeno carbonato que no ha reaccionado. La ebullición destruye el amortiguador por la eliminación del ácido carbónico: La solución se vuelve alcalina de nuevo, debido al ion hidrógeno carbonato residual. La titulación se completa después de enfriar la solución. Sin embargo, ahora, con las adiciones finales de ácido, ocurre un descenso mayor en el pH, lo que produce un cambio de color más brusco. Otros patrones primarios para ácidos El tris(hidroximetil)aminometano (HOCH2)3CNH2, también conocido como TRIS o THAM, se puede obtener comercialmente con una pureza de patrón primario. Tiene la ventaja de tener una mayor masa por mol de protones consumidos (121.1) que el carbonato de sodio (53.0). La reacción del TRIS con ácidos es: También se recomiendan como patrones primarios el tetraborato de sodio decahidratado y el óxido de mercurio(II). La reacción de un ácido con el tetraborato es:

Preparación de soluciones patrón básicas El hidróxido de sodio es la base más común para preparar soluciones patrón, aunque también se utilizan el hidróxido de potasio y el hidróxido de bario. Ninguno de ellos se puede obtener con una pureza de patrón primario, de modo que la solución se debe valorar o estandarizar después de su preparación. Efecto del dióxido de carbono sobre las soluciones patrón de bases Los hidróxidos de sodio, potasio y bario, tanto en solución como en estado sólido, reaccionan fácilmente con el dióxido de carbono atmosférico para producir el carbonato correspondiente: Aunque la producción de cada ion carbonato consume dos iones hidróxido, la captación de dióxido de carbono por una solución de una base no necesariamente altera su capacidad de combinarse con los iones hidronio. Así, si el punto final de una titulación sucede en una solución ácida y por tanto requiere de un indicador de intervalo ácido (como el verde de bromocresol), cada ion carbonato formado a partir de hidróxido de sodio o de potasio habrá reaccionado con dos iones hidronio del ácido: Puesto que la cantidad de ion hidronio consumido por esta reacción es idéntica a la cantidad de hidróxido que se pierde durante la formación del ion carbonato, no se incurrirá en ningún error. Desgraciadamente, la mayoría de las titulaciones que utilizan soluciones patrón de bases requieren un indicador con intervalos de viraje básicos (por ejemplo, fenolftaleína). En estas soluciones básicas, cuando se observa el cambio de color del indicador, cada ion carbonato habrá reaccionado sólo con un ion hidronio: 3

Por lo tanto, la concentración efectiva de la base estará disminuida por la absorción de dióxido de carbono y tendrá lugar un error sistemático (denominado error de carbonato). Los reactivos sólidos que se utilizan para preparar soluciones patrón básicas siempre están contaminadas con cantidades importantes de ion carbonato. La presencia de este contaminante no inducirá un error de carbonato siempre que las valoraciones o estandarización y el análisis se realicen con el mismo indicador. El agua que se utiliza para preparar soluciones de bases libres de carbonato también debe estar libre de dióxido de carbono. Valoración o estandarización de bases Para la valoración o estandarización de bases se cuenta con excelentes patrones primarios. La mayoría son ácidos orgánicos débiles que necesitan de un indicador con un intervalo de viraje básico. Hidrógeno ftalato de potasio, KHC8H4O4 El hidrógeno ftalato de potasio es un patrón primario ideal. Es un sólido cristalino no higroscópico con una masa molar elevada (204.2 g/mol). En la mayoría de los casos se puede utilizar sin necesidad de purificarlo. Otros patrones primarios para bases El ácido benzoico se puede obtener como estándar primario de alto grado de pureza y se puede emplear para la estandarización de bases. Debido a su baja solubilidad en agua, por lo general este reactivo primero se disuelve en etanol y posteriormente, en agua para la titulación. En este proceso de estandarización se debe usar siempre un blanco, ya que el alcohol comercial a veces es levemente ácido. El hidrógeno yodato de potasio, KH(IO3)2, es un excelente patrón primario con una elevada masa molecular por mol de protones. También es un ácido fuerte que puede titularse con cualquier indicador con un intervalo de viraje entre pH 4 y 10. APLICACIONES CLÁSICAS DE LAS TITULACIONES DE NEUTRALIZACIÓN Las titulaciones de neutralización se utilizan para determinar gran cantidad de especies inorgánicas, orgánicas y biológicas que poseen propiedades ácidas o básicas. Análisis elemental Varios elementos que son importantes en sistemas orgánicos y biológicos se pueden determinar adecuadamente con métodos cuya etapa final incluye una valoración ácido-base. Por lo general, los elementos susceptibles a este tipo de análisis son no metales, como carbono, nitrógeno, cloro,

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bromo y flúor, así como otras especies menos comunes. El tratamiento previo convierte al elemento en un compuesto ácido o básico inorgánico que posteriormente se titula. Nitrógeno El nitrógeno se encuentra en una gran variedad de sustancias de interés en la investigación, en la industria y en la agricultura. Entre los ejemplos se incluyen aminoácidos, proteínas, fármacos sintéticos, fertilizantes, explosivos, suelos, colorantes y suministros de agua potable. Por tanto los métodos analíticos para la determinación de nitrógeno, en especial en sustratos orgánicos, son de gran importancia. El método más común para la determinación de nitrógeno orgánico es el método de Kjeldahl, que se basa en una titulación de neutralización. El procedimiento es sencillo, no requiere de equipo especial y se adapta con facilidad al análisis rutinario de un gran número de muestras. El método (o una de sus modificaciones) constituye el método estándar para la determinación del contenido proteínico en cereales, carnes y otros materiales biológicos. Como la mayoría de las proteínas contiene aproximadamente el mismo porcentaje de nitrógeno, al multiplicar este porcentaje por un factor adecuado (6.25 para carnes, 6.38 para productos lácteos y 5.70 para cereales) se obtiene el porcentaje de proteína en una muestra. En el método de Kjeldahl la muestra se descompone en caliente con ácido sulfúrico concentrado para convertir el nitrógeno, en ion amonio. La solución resultante se enfría, se diluye y se vuelve básica. El amoniaco que se libera, se destila, se recoge en una solución ácida y se determina por medio de una titulación ácido-base. En una determinación de Kjeldahl, la etapa que frecuentemente consume más tiempo es la de descomposición (digestión de la muestra). Algunas muestras pueden necesitar periodos de calentamiento mayores a una hora. Se han propuesto numerosas modificaciones al procedimiento original, con la intención de disminuir el tiempo de la digestión. En la modificación más utilizada se adiciona una sal neutra, como sulfato de potasio, para aumentar el punto de ebullición de la solución del ácido sulfúrico y, por tanto, aumentar la temperatura a la que se lleva a cabo la descomposición. Muchas sustancias catalizan la descomposición de los compuestos orgánicos con ácido sulfúrico. El mercurio, el cobre o el selenio son muy efectivos, ya sea combinados o en estado elemental. Azufre El azufre que contiene el material orgánico o biológico se determina adecuadamente por combustión de la muestra en una corriente de oxígeno. El dióxido de azufre (lo mismo que el trióxido de azufre) que se forma durante la oxidación, se recoge por destilación en una solución diluida de peróxido de hidrógeno: Posteriormente, el ácido sulfúrico se titula con una base patrón. Otros elementos En la tabla se muestra una lista de otros elementos que se pueden determinar con métodos de neutralización. 5

Determinación de sustancias inorgánicas Se puede determinar un gran número de especies inorgánicas por titulación con ácidos o bases fuertes. Sales de amonio Las sales de amonio se determinan adecuadamente por conversión en amoniaco, con una base fuerte y posterior destilación. El amoniaco se recoge y se titula como en el método de Kjeldahl. Nitratos y nitritos El método recién descrito para las sales de amonio también puede aplicarse a la determinación de nitratos y nitritos. Estos iones primero se reducen hasta ion amonio con una aleación de Devarda (50% de Cu, 45% de Al, 5% de Zn). La aleación en forma de gránulos, se agrega a una solución fuertemente alcalina de la muestra, en un matraz de Kjeldahl. El amoniaco se destila después de que se haya completado la reacción. También se emplea la aleación de Arnd (60% de Cu, 40% de Mg) como agente reductor. Carbonato y mezclas de carbonatos La determinación cualitativa y cuantitativa de los componentes de una solución que tenga carbonato de sodio, hidrógeno carbonato de sodio e hidróxido de sodio, cada uno solo o mezclados, constituyen ejemplos interesantes de la aplicación de las titulaciones de neutralización en el análisis de mezclas. En una solución sólo pueden existir dos de los tres componentes, ya que la reacción entre ellos elimina al tercero. El análisis de estas mezclas requiere de dos titulaciones, una con un indicador con un intervalo de viraje alcalino, como la fenolftaleína, y la otra, con un indicador con un intervalo de viraje ácido, como el verde de bromocresol. Se podrá obtener la composición de la solución a partir de los volúmenes relativos de ácido requeridos para titular volúmenes iguales de muestra. Una vez establecida la composición de la solución, se pueden utilizar los datos de volumen para determinar la concentración de cada componente en la muestra. La exactitud de los métodos para el análisis de soluciones que contienen mezclas de iones carbonato e hidrógeno carbonato o iones carbonato e hidróxido se puede aumentar aprovechando la baja solubilidad del carbonato de bario en soluciones neutras y básicas. 6

Por ejemplo, en el método de Winkler para el análisis de mezclas de carbonato/hidróxido, ambos componentes se valoran con un patrón ácido y un indicador de intervalo ácido, como el verde de bromocresol (el punto final se establece después de llevar la disolución a ebullición para eliminar el dióxido de carbono). Posteriormente, se añade un exceso no medido de cloruro de bario neutro a una segunda alícuota de la disolución de la muestra, para precipitar el ion carbonato, después de lo cual se valora el ion hidróxido empleando fenolftaleína. La presencia del carbonato de bario, apenas soluble, no interfiere si la concentración de ion bario es mayor de 0.1 mol/L. Los iones bicarbonato y carbonato pueden determinarse con exactitud en mezclas usando un método similar. Determinación de sustancias orgánicas y biológicas Las titulaciones de neutralización constituyen métodos adecuados para la determinación directa o indirecta de un gran número de especies orgánicas que contengan grupos funcionales ácidos o básicos, como los ácidos carboxílicos y sulfónicos, así como diversos tipos de aminas. Un método ampliamente utilizado para el análisis de ésteres consiste en calentar la muestra en presencia de un exceso de una base patrón. El resultado es una hidrólisis, denominada saponificación, que consume un mol de base por cada mol de éster. Una vez que la saponificación se ha completado, se titula el exceso de base con una solución de un ácido patrón.

ANEXO: Factores específicos para % de proteínas (Método Kjeldahl) Harina entera de trigo 5,83 Macarrones 5,70 Salvado 6,31 Arroz 5,95 Cebada, avena, centeno 5,83 Todos los otros alimentos 6,25

Soja 5,71 Nueces, almendras, maníes 5,41 Leche y productos lácteos 6,38 Gelatina 5,55 Maíz 6,25

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