Determinación Espectrofotométrica del Valor de p Ka del Indicador Verde de Bromocresol PDF

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Laboratorio de Análisis Instrumental Profesora: Dra. María Teresa Ramírez Silva Alumno: Pablo Lavezzi Actividad Experimental: Determinación Espectrofotométrica del Valor de pKa del Indicador Verde de Bromocresol Trimestre 17-O INTRODUCCIÓN El Verde de Bromocresol es un indicador orgánico para valora...

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Laboratorio de Análisis Instrumental Profesora: Dra. María Teresa Ramírez Silva Alumno: Pablo Lavezzi Actividad Experimental: Determinación Espectrofotométrica del Valor de pKa del Indicador Verde de Bromocresol Trimestre 17-O INTRODUCCIÓN El Verde de Bromocresol es un indicador orgánico para valoración ácido-base.

Su intervalo de transición de pH es aproximadamente entre 3.8 y 5.4, virando de amarillo a azul verdoso (pasando por varios tonos de verde) en el rango especificado. En solución acuosa, se ioniza para formar el monoanión HVB – (amarillo), que puede perder un protón para dar formar el dianión VB2– (azul), que se estabiliza por resonancia:

Los valores de la constante de acidez (Ka) y del pKa de dicho indicador, quedan expresados de la siguiente manera:

+¿ ¿ H ¿ [ VB2 – ]∗¿ Ka=¿ pH = pKa+log

[VB2 – ] [ HVB – ]

Dado que esta sustancia presenta cambios de color frente a los cambios de pH, es posible determinar de manera indirecta las concentraciones de las dos especies de verde de bromocresol que se encuentran en equilibrio (a distintos valores de pH) mediante lecturas de absorbancia y construcción de curvas de calibración en medio ácido y medio básico, por lo que es posible calcular los valores de la constante de acidez y del pKa. OBJETIVO  Determinar de manera indirecta el valor de pKa de un indicador ácido-base (verde de bromocresol) mediante espectrofotometría visible (lecturas de absorbancia, a pH fijo y con variaciones de pH).  Determinar la relación entre los parámetros de una recta de ajuste lineal de las medidas de absorbancia y concentración con la ley de Lambert-Beer (A = ε L C)  Utilizar la propagación de incertidumbres y regresión lineal, para expresar de manera adecuada las mediciones y resultados obtenidos. ACTIVIDAD EXPERIMENTAL Material  1 matraz aforado de 100 mL  2 matraces aforados de 250 mL  1 micro espátula  1 pipeta graduada de 2 mL  2 pipetas graduadas de 10 mL  1matraz aforado de 10 mL  30 Tubos de ensaye  3 gradillas  3 vasos de precipitados de 100 mL  Espectrofotómetro (Luz Visible)  Balanza analítica

Sustancias  Verde de Bromocresol  Acetato de Sodio Trihidratado  Ácido Acético Procedimiento Se proporcionan los gráficos correspondientes de Absorbancia (A) vs Longitud de Onda (λ) del indicador verde de bromocresol en medio ácido y medio básico, para seleccionar los valores de λ óptimos para realizar las mediciones. Las mediciones de absorbancia en medio ácido se realizarán a 448 nm, mientras que las mediciones en medio básico se realizarán a 615 nm. Se seleccionan estos valores, ya que corresponden a los valores máximos de absorbancia mostrados en la gráfica (estos valores máximos indican que la especie absorbe mayor cantidad de luz en dichas longitudes de onda, lo que permite establecer una mejor relación entre las concentraciones y las absorbancias a dichas longitudes de onda). Figura 1. Gráfica Absorbancia (A) vs Longitud de Onda (λ)

a) Preparación de Soluciones Prepare las siguientes soluciones:  Solución 1: Pese aproximadamente 25 mg de verde de bromocresol, disuelva en 10 mL de etanol y afore a 100 mL con agua desionizada.  Solución 2: Tome un volumen aproximado de 1.43 mL de ácido acético y afore a 250 mL con agua desionizada (concentración aproximada: 0.1 M). Mida el pH de la solución.  Solución 3: Pese aproximadamente 3.402 g de acetato de sodio, disuelva en la menor cantidad de agua desionizada y afore a 250 mL con agua desionizada (concentración aproximada: 0.1 M). Mida el pH de la solución. b) Curva de Calibración de Verde de Bromocresol en Medio Ácido Prepare las siguientes soluciones y mida la absorbancia de cada solución a 448 nm. Realice las mediciones por triplicado. Solución Blanco 1 2 3 4 5 6 7 8 9

VSolución 1 (μL) 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Aforo V Solución 2 (mL)

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

c) Curva de Calibración de Verde de Bromocresol en Medio Básico Prepare las siguientes soluciones y mida la absorbancia de cada solución a 615 nm. Realice las mediciones por triplicado. Solución Blanco 1 2 3 4 5 6 7 8 9

VSolución 1 (μL) 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Aforo V Solución 3 (mL)

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

d) Soluciones Problema: Determinación del valor de pKa del Indicador En tubos de ensaye limpios prepare las siguientes mezclas con las cantidades indicadas. Tubo 1 2 3 4 5

VSolución 1 (μL) 400 400 400 400 400

VSolución 2 (mL) 9 8 7 6 5

VSolución 3 (mL) 1 2 3 4 5

6 400 4 6 7 400 3 7 8 400 2 8 9 400 1 9 Mida la absorbancia de cada uno de los tubos a 448 nm y 615 nm. Realice las mediciones por triplicado. DATOS Y RESULTADOS Primeramente se procede a convertir las incertidumbres tipo B de los datos a incertidumbre tipo A: Masa de Verde de Bromocresol 0.02530 g Volumen Preparado Solución de Verde de Bromocresol 100 mL Masa de Acetato de Sodio 3.4052 g Volumen Medido de Ácido Acético 1.5 mL Volumen Preparado de Solución de Ácido Acético o Acetato de Sodio 250 mL Volúmenes Medidos con Micropipeta (Solución 1) 50 μL 100 μL 150 μL 200 μL Volúmenes Medidos con Pipeta (Solución 2 o Solución 3) 1 mL 2 mL 3 mL 4 mL 5 mL 6 mL 7 mL 8 mL 9 mL 10 mL

Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.0001 g 0.395 0.00005 g Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.16 mL 0.16 0.08 mL Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.0001 g 0.003 0.00005 g Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.1 mL 6.66 0.1 mL Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.24 mL

0.096

0.12 mL

Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.6 μL 0.6 μL 0.6 μL 0.6 μL

0.60 0.40 0.30 1.20

0.3 μL 0.3 μL 0.3 μL 0.3 μL

Incertidumbre Tipo B Incertidumbre Porcentual Incertidumbre Tipo A 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL 0.1 mL

10.0 5.00 3.33 2.50 2.00 1.66 1.42 1.25 1.11 1.00

0.1 mL 0.1 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL 0.05 mL

Para las mediciones con valores de incertidumbre porcentual menores o iguales al 5%, el valor de la incertidumbre tipo A es igual que el valor de la incertidumbre tipo B. Para las mediciones con valores de incertidumbre porcentual mayores al 5%, el valor de la incertidumbre tipo A es igual a la mitad del valor de la incertidumbre tipo B. En el caso de las incertidumbres de los pesos atómicos, estas serán tomadas como tipo A.

En el caso de las incertidumbres de las medidas de absorbancia, se considera que corresponden a la mitad

0.001 = 0.0005). 2

del valor de la mínima escala (

En el caso de las incertidumbres de los pesos moleculares y la adición de varios volúmenes simultáneos, la propagación de incertidumbres se realizó para funciones de términos aditivos (propagación de incertidumbres de una suma). a) Preparación de Soluciones Se calcula la concentración de las soluciones preparadas con sus respectivas incertidumbres:  Solución 1 Sustancia: Verde de Bromocresol Fórmula: C21H14Br4O5S Peso Molecular (PM1): (698.014 ± 0.018) g/mol Masa Utilizada (MU1): (0.02530 ± 0.00005) g Volumen de Aforo (VA1): (100.00 ± 0.08) mL Concentración (C1):

C1 =

MU 1 PM 1∗VA1

√

(

2 I C = I PM ∗ 1

1

)

2

(

)

(

)

2 −MU 1 −MU 1 1 2 2 ∗ + I VA ∗ +I MU 2 2 PM 1∗VA1 PM 1∗VA1 PM 1∗VA 1 1

(

)

1

2

C1 = (3.6245 ± 0.0077) x 10–4 M  Solución 2 Sustancia: Acetato de Sodio Trihidratado Fórmula: CH3COONa · 3H2O Peso Molecular (PM2): (136.0796 ± 0.0023) g/mol Masa Utilizada (MU2): (3.40520 ± 0.00005) g Volumen de Aforo (VA2): (250 ± 0.12) mL Concentración (C2):

C2 =

MU 2 PM 2∗VA2

√

(

I C = I 2PM ∗ 2

2

)

2

2 −MU 2 −MU 1 1 2 2 + I MU +I VA ∗ ∗ 2 2 PM 2∗VA 2 PM 2∗VA 2 PM 2 ∗VA 2 2

(

)

C2 = (0.100094 ± 0.000048) M  Solución 3 Sustancia: Ácido Acético Fórmula: CH3COOH Peso Molecular (PM3): (60.0520 ± 0.0017) g/mol Pureza (P3): (99.80 ± 0.05) % (0.9980 ± 0.0005) Densidad (D3): (1.050 ± 0.005) g/mL Volumen Utilizado (VU3): (1.5 ± 0.1) mL

2

2

Volumen de Aforo (VA3): (250 ± 0.12) mL Concentración (C3):

C3 =

D 3∗VU 3 P3∗PM 3∗VA3

√

(

2 IC = I D ∗ 3

3

)

) (

(

)

(

)

(

2 2 2 2 VU 3 D3 −D ∗VU 3 −D3∗VU 3 −D 3∗ 2 2 2 2 +I VU ∗ +I P ∗ 2 3 + I PM ∗ +I VA ∗ 2 P 3∗PM 3∗VA3 P3∗PM 3∗VA3 P3∗PM 3∗VA 3 P3∗P M P3∗PM 3∗VA 3 3

3

3

3

C3 = (0.1051 ± 0.0050) M b) Curva de Calibración de Verde de Bromocresol en Medio Ácido pH = 2.78 Se realizaron los cálculos correspondientes:

CVB =

C 1∗V Solución1 Aforo

V Solución 2

√(

2 IC = IC VB

Solució n

1

V Solución 1 V Aforo Solución 2

)

2 2

+I V

VSolución 1 (μL)

(

Solución1

C1 Aforo V Solución2

)

2

Aforo V Solución 2 (m

L)

1

100.00 ± 0.30

10 ± 0.02

2

150.00 ± 0.30

10 ± 0.02

3

200.00 ± 0.30

10 ± 0.02

4

250.00 ± 0.42

10 ± 0.02

5

300.00 ± 0.42

10 ± 0.02

((

−C1∗V Solución1

2

+I V

Aforo Solución 2

V Aforo Solución2)

2

A448nm 0.0780 ± 0.0005 0.0800 ± 0.0005 0.0780 ± 0.0005 0.1230 ± 0.0005 0.1250 ± 0.0005 0.1260 ± 0.0005 0.1630 ± 0.0005 0.1670 ± 0.0005 0.1600 ± 0.0005 0.2100 ± 0.0005 0.2100 ± 0.0005 0.2110 ± 0.0005 0.2460 ± 0.0005 0.2430 ±

)

2

448 nm

A Promedio

CVB (M)

0.0787 ± 0.0012

(3.625 ± 0.015) x 10–6

0.1247 ± 0.0015

(5.437 ± 0,019) x 10–6

0.1633 ± 0.0035

(7.249 ± 0.024) x 10–6

0.21033 ± 0.00058

(9.061 ± 0.031) x 10–6

0.2443 ± 0.0015

(1.0874 ± 0.0035) x 10–5

6

350.00 ± 0.42

10 ± 0.02

7

400.00 ± 0.42

10 ± 0.02

8

450.00 ± 0.52

10 ± 0.02

9

500.00 ± 0.52

10 ± 0.02

0.0005 0.2440 ± 0.0005 0.2870 ± 0.0005 0.2880 ± 0.0005 0.2840 ± 0.0005 0.3220 ± 0.0005 0.3170 ± 0.0005 0.3210 ± 0.0005 0.3620 ± 0.0005 0.3640 ± 0.0005 0.3640 ± 0.0005 0.3970 ± 0.0005 0.3980 ± 0.0005 0.4010 ± 0.0005

0.2863 ± 0.0021

(1.2686 ± 0.0040) x 10–5

0.3200 ± 0.0026

(1.4498 ± 0.0045) x 10–5

0.3633 ± 0.0012

(1.6311 ± 0.0051) x 10–5

0.3987 ± 0.0021

(1.8123 ± 0.0056) x 10–5

Con los resultados de la tabla anterior, se procede a graficar los valores de las absorbancias (el valor promedio de las tres mediciones efectuadas) en función de la concentración del verde de bromocresol. Como el valor de pH es ácido, el verde de bromocresol se encuentra mayoritariamente en su forma ácida monoaniónica (HVB–). Con ayuda de Excel, es posible determinar el valor de la pendiente (m) y ordenada al origen (b) de la recta de ajuste, con sus respectivas incertidumbres, utilizando la herramienta “Análisis de Datos” y la opción “Regresión”: b = 0.0048 ± 0.0034 m = (21937 ± 285) M-1 Comparando con la ley de Lambert-Beer, la pendiente de la recta corresponde al valor del producto del 448nm coeficiente de extinción molar de la forma ácida ( ε HVB ¿ del verde de bromocresol por la longitud del paso óptico (L): –

b≈0 448 nm

448nm

A HVB =ε HVB ∗L∗C VB=m∗C VB –

–

nm m≈ ε 448 HVB ∗L –

Figura 2. Gráfica A vs CVB en Medio Ácido

c) Curva de Calibración de Verde de Bromocresol en Medio Básico pH = 7.83 Se realizaron los cálculos correspondientes:

C VB =

C 1∗V Solución1

√(

I C = I2C VB

Aforo

V Solución 3

1

)

V Solución 1 2 2 + IV Aforo V Solución 3

(

Solución 1

)

Aforo V Solución3

+I 2V

Aforo V Solución 3 (m

Solución

VSolución 1 (μL)

1

100.00 ± 0.30

10 ± 0.02

2

150.00 ± 0.30

10 ± 0.02

3

200.00 ± 0.30

10 ± 0.02

4

250.00 ± 0.42

10 ± 0.02

L)

((

)

−C1∗V Solución 1 2

2

C1

Aforo Solución 2

V Solución 3) Aforo

2

A615nm 0.1730 ± 0.0005 0.1770 ± 0.0005 0.1740 ± 0.0005 0.2710 ± 0.0005 0.2720 ± 0.0005 0.2720 ± 0.0005 0.3550 ± 0.0005 0.3540 ± 0.0005 0.3560 ± 0.0005 0.4390 ± 0.0005 0.4410 ± 0.0005 0.4400 ± 0.0005

A Promedio

615 nm

CVB (M)

0.1747 ± 0.0021

(3.625 ± 0.015) x 10–6

0.27167 ± 0.00058

(5.437 ± 0,019) x 10–6

0.3550 ± 0.0010

(7.249 ± 0.024) x 10–6

0.4400 ± 0.0010

(9.061 ± 0.031) x 10–6

5

300.00 ± 0.42

10 ± 0.02

6

350.00 ± 0.42

10 ± 0.02

7

400.00 ± 0.42

10 ± 0.02

8

450.00 ± 0.52

10 ± 0.02

9

500.00 ± 0.52

10 ± 0.02

0.5210 ± 0.0005 0.5220 ± 0.0005 0.5210 ± 0.0005 0.6280 ± 0.0005 0.6310 ± 0.0005 0.6280 ± 0.0005 0.7060 ± 0.0005 0.7040 ± 0.0005 0.7040 ± 0.0005 0.7720 ± 0.0005 0.7710 ± 0.0005 0.7700 ± 0.0005 0.8670± 0.0005 0.8680 ± 0.0005 0.8670 ± 0.0005

0.52133 ± 0.00058

(1.0874 ± 0.0035) x 10–5

0.6290 ± 0.0017

(1.2686 ± 0.0040) x 10–5

0.7047 ± 0.0012

(1.4498 ± 0.0045) x 10–5

0.7710 ± 0.0010

(1.6311 ± 0.0051) x 10–5

0.86733 ± 0.00058

(1.8123 ± 0.0056) x 10–5

Con los resultados de la tabla anterior, se procede a graficar los valores de las absorbancias (el valor promedio de las tres mediciones efectuadas) en función de la concentración del verde de bromocresol. Como el valor de pH es básico, el verde de bromocresol se encuentra mayoritariamente en su forma básica dianiónica (VB2–). Con ayuda de Excel, es posible determinar el valor de la pendiente (m) y ordenada al origen (b) de la recta de ajuste, con sus respectivas incertidumbres, utilizando la herramienta “Análisis de Datos” y la opción “Regresión”: b = 0.0104 ± 0.0078 m = (47426 ± 659) M-1 Comparando con la ley de Lambert-Beer, la pendiente de la recta corresponde al valor del producto del 615 nm coeficiente de extinción molar de la forma ácida ( ε VB ) del verde de bromocresol por la longitud del paso óptico (L): 2–

b≈0 615 nm 615 nm A VB =ε VB ∗L∗C VB =m∗C VB 2–

2–

615nm

m≈ ε VB ∗L 2–

Figura 3. Gráfica A vs CVB en Medio Básico

e)

Soluciones Problema: Determinación del valor de pKa del Indicador

Para determinar el valor de pKa del verde de bromocresol, se emplea la ecuación de Henderson-Hasselbach:

[ HVB – ] pKa=pH +log [VB2 – ] Las concentraciones de las especies [HVB–] y [VB2–] pueden calcularse a partir de interpolaciones en las curvas de calibración (con sus respectivas incertidumbres). Se considerará que los valores de absorbancia a ambas longitudes de onda están relacionados con la concentración de una sola especie (ácida o básica, según corresponda) del verde de bromocresol y no con la concentración de ambas.

A H480nm −0.0048 [ HVB ]= VB 21937 –

–

615 nm A VB 0.0104 47426 [ VB2 – ]=¿ ¿



Concentración de [HVB–] Tubo

pH

1

3.430 ± 0.005

A 448 nm 0.2650 ± 0.0005 0.2660 ± 0.0005

A Promedio

448 nm

[HVB–]

0.26567 ± 0.00058

1.189 x 10-5

0.2660 ± 0.0005 0.2590 ± 0.0005 2

3.860 ± 0.005

0.2590 ± 0.0005

0.2597 ± 0.0012

1.162 x 10-5

0.25267 ± 0.00058

1.130 x 10-5

0.2317 ± 0.0016

1.034 x 10-5

0.2610 ± 0.0005 0.2530 ± 0.0005 3

4.060 ± 0.005

0.2520 ± 0.0005 0.2530 ± 0.0005 0.2300 ± 0.0005

4

4.300 ± 0.005

0.2330 ± 0.0005 0.2320 ± 0.0005 0.2010 ± 0.0005

5

4.530 ± 0.005

0.2020 ± 0.0005

0.2020 ± 0.0010

0.2030 ± 0.0005

8.991 x 10-6

0.1790 ± 0.0005 6

4.720 ± 0.005

0.1790 ± 0.0005

0.17933 ± 0.00058

7.958 x 10-6

0.14967 ± 0.00058

6.605 x 10-6

0.1227 ± 0.0012

5.374 x 10-6

0.0870 ± 0.0017

3.748 x 10-6

0.1800 ± 0.0005 0.1500 ± 0.0005 7

4.940 ± 0.005

0.1500 ± 0.0005 0.1490 ± 0.0005 0.1240 ± 0.0005

8

5.200 ± 0.005

0.1220 ± 0.0005 0.1220 ± 0.0005 0.0880 ± 0.0005

9

5.610 ± 0.005

0.0850 ± 0.0005 0.0880 ± 0.0005



Concentración de [VB2–] Tubo

pH

A 615 nm

615 nm

A Promedio

[VB2–]

0.0450 ± 0.0005 1

3.430 ± 0.005 0.0460 ± 0.0005 0.04533 ± 0.00058

7.371 x 10-7

0.0450 ± 0.0005 0.1100 ± 0.0005 2

3.860 ± 0.005 0.1100 ± 0.0005 0.10967 ± 0.00058

2.094 x 10-6

0.1090 ± 0.0005 0,1690 ± 0.0005 3

4.060 ± 0.005 0.1680 ± 0.0005 0.16867 ± 0.00058

3.338 x 10-6

0.1690 ± 0.0005 0.2410 ± 0.0005 4

4.300 ± 0.005 0.2400 ± 0.0005 0.24067 ± 0.00058

4.856 x 10-6

0.2410 ± 0.0005 0.3070 ± 0.0005 5

4.530 ± 0.005 0.3040 ± 0.0005

0.3053 ± 0.0015

6.219 x 10-6

0.3677 ± 0.0012

7.534 x 10-6

0.3050 ± 0.0005 0.3690 ± 0.0005 6

4.720 ± 0.005 0.3670 ± 0.0005 0.3670 ± 0.0005

0.4410 ± 0.0005 7

4.940 ± 0.005 0.4410 ± 0.0005

0.4417 ± 0.0012

9.094 x 10-6

0.4957 ± 0.0012

1.023 x 10-5

0.5983 ± 0.0012

1.240 x 10-5

0.4430 ± 0.0005 0.4970 ± 0.0005 8

5.200 ± 0.005 0.4950 ± 0.0005 0.4950 ± 0.0005

9

5.610 ± 0.005 0.5990 ± 0.0005 0.5970 ± 0.0005 0.5990 ± 0.0005

•

Determinación del valor de pKa del Verde de Bromocresol Tubo

pH

pKa

1

3.430 ± 0.005

4.63 8

2

3.860 ± 0.005

4.60 4

3

4.060 ± 0.005

4.59 0

4

4.300 ± 0.005

4.62 8

5

4.530 ± 0.005

4.69 0