Practica Titulaciones Potenciometricas PDF

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Practica acerca de titulaciones potenciométricas las cuales se realizan cuando no es posible la detección del punto final de una valoración empleando un indicador visual. Se considera uno de los métodos más exactos, porque el potencial sigue el cambio real de la actividad y, el punto final coincide ...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS INGENIERÍA EN SISTEMAS AMBIENTALES UNIDAD DE APRENDIZAJE: QUÍMICA ANALÍTICA PRÁCTICA 8 “TITULACIONES POTENCIOMÉTRICAS” INTEGRANTES EQUIPO 5: · ALCÁNTARA GONZÁLEZ JORGE ALEJANDRO · BAUTISTA BARRIENTOS FERNANDO · RAMÍREZ TACUBA ENRIQUE GRUPO: 2AM1

INTRODUCCIÓN Una titulación ácido-base procede mediante una reacción de neutralización, en la que se hace reaccionar un ácido con una cantidad equivalente de base. Mediante la construcción de una curva de titulación se puede explicar fácilmente cómo se pueden detectar los puntos finales de estas titulaciones (Christian, G). El punto de equivalencia de una valoración es un punto teórico que se alcanza cuando la cantidad de reactivo patrón añadido equivale exactamente a la del analito. Resulta imposible determinar experimentalmente el punto de equivalencia de una valoración. En su lugar, únicamente se puede estimar su posición al observar el cambio físico relacionado con la condición de equivalencia. Este cambio se llama punto final de la valoración (UPV). El punto final indica que la reacción ha concluido. Una curva de titulación se construye graficando el pH de la solución en función del volumen de titulante agregado. El titulante es siempre un ácido fuerte o una base fuerte. El analito puede ser ya sea una base o ácido fuerte o una base o ácido débil. (Christian, G). Para poder detectar el punto final en las titulaciones se pueden realizar mediante algunos métodos. El indicador es un recurso que nos permite “visualizar” en qué momento se completó la reacción que nos interesa. En este momento se alcanza el punto final de la titulación y es entonces cuando se tomará en cuenta el volumen de valorante consumido para alcanzar ese punto. La titulación por monitoreo de respuesta (titulación potenciométrica) consiste en medir el potencial de un electrodo indicador apropiado en función del volumen de valorante. Las valoraciones potenciométricas aportan datos más fiables que los obtenidos en las valoraciones que usan indicadores químicos. (UPV) Para llevar a cabo una valoración potenciométrica en el laboratorio tienes que conectar un electrodo indicador y un electrodo de referencia a un pHmetro típico de laboratorio formando así una celda para medidas potenciométricas. (UPV) La manera más obvia de determinar el punto final es medir el pH en puntos diferentes de la titulación y hacer una gráfica de éste contra mililitros de titulante. Esto se hace con un medidor de pH (Christian, G), por lo que las valoraciones potenciométricas ácido-base ayudará en gran manera porque mide el pH. Se pueden usar varios procedimientos para determinar el punto final de una valoración potenciométrica. Los más utilizados son el método del paralelogramo, el método de la primera derivada, el método de la segunda derivada, el método de Gan, etc…

OBJETIVOS Objetivos Generales: ● Determinar la concentración de cuatro muestras acuosas ácido-base por medio de la titulación por monitoreo de respuesta (titulación potenciométrica). Específicos: ● Construir diferentes curvas de titulación del pH=f(Vol. Agregado de reactivo titulante) con los valores que se obtuvieron en el laboratorio de cada muestra con el fin de poder determinar el volumen gastado en el punto final.

MATERIALES Y EQUIPOS Analitos ● Ácido clorhídrico (HCl) ● Acido acetico (CH3COOH) ● Hidróxido de potasio (KOH) ● Amoniaco (NH3) Reactivos titulantes ● Hidróxido de sodio (NaOH) ● Ácido clorhídrico (HCl) Equipo ● Potenciómetro ● Electrodo pH ● Soporte universal ● Bureta ● Vaso de precipitados ● Agitador magnético

METODOLOGÍA

RESULTADOS Muestra 1 Reacción de titulación: Analito

R.T.

HCl

NaOH

NaOH (aq) + HCl (aq) → NaCl (aq) + H2O (l) Co

¿?

Mol/L

Vo

20

mL

C

0.095

Mol/L

Tabla 1. Datos obtenidos de la valoración potenciométrica de la muestra 1

Figura 1. Curva de titulación del pH en función del Volumen Agregado de reactivo titulante

Figura 2. Gráfico de la primera derivada de la muestra 1

Figura 3. Gráfico de la segunda derivada de la muestra 1

MUESTRA 2 Reacción de titulación: CH3COOH(aq)+NaOH(aq)→CH3COONa(aq)+ H2O (l) Analito

R.T.

HCl

NaOH

Co

¿?

Mol/L

Vo

20

mL

C

0.095

Mol/L

Tabla 2. Datos obtenidos de la valoración potenciométrica de la muestra 2

Figura 4. Curva de titulación del pH en función del Volumen Agregado de reactivo titulante

Figura 5. Gráfico de la primera derivada de la muestra 2

Figura 6. Gráfico de la segunda derivada de la muestra 2

MUESTRA 3 Reacción de titulación: HCl (aq) + KOH (aq) → KCl (aq) + H2O (l) Analito

R.T.

KOH

HCl

Co

¿?

Mol/L

Vo

20

mL

C

0.087

Mol/L

Tabla 3. Datos obtenidos de la valoración potenciométrica de la muestra 3

Figura 7. Curva de titulación del pH en función del Volumen Agregado de reactivo titulante de la muestra 3

Figura 8. Gráfico de la primera derivada de la muestra 3

Figura 9. Gráfico de la segunda derivada de la muestra 3

Muestra 4 Reacción de titulación: Analito

R.T.

NH3 (aq) + HCl (aq) → NH4Cl(aq) NH3

HCl

PKa

9.24

Co

0.0759

Mol/L

Vo

20

mL

C

0.091

Mol/L

Tabla 4. Datos obtenidos de la valoración potenciométrica de la muestra 4.

Figura 10. Curva de titulación del pH en función del Volumen Agregado de reactivo titulante de la muestra 4

Figura 11. Gráfico de la primera derivada de la muestra 4

Figura 12. Gráfico de la segunda derivada de la muestra 4

Tabla 5. Tabla de resultados Muestra

Analito

Alícuota (V0) mL

Reactivo Titulante R.T.

Concentración de R.T. (mol/L)

Volumen en el punto final (Vpf) de R.T. mL

Concentración normal de analito (eq/L)

Concentración molar de analito (mol/L)

1

HCl

20

NaOH

0.095

17.4

0.0783

0.0783

2

CH3COOH

20

NaOH

0.090

11.7

0.055

0.055

3

KOH

20

HCl

0.087

20.6

0.08961

0.08961

4

NH3

20

HCL

0.091

16.69

0.0759

0.0759

ANÁLISIS DE RESULTADOS En la muestra 1 se produce una titulación entre el HCl y NaOH, es decir, un ácido fuerte y una base fuerte. En este tipo de titulaciones el ácido y la base reaccionan para formar una solución neutra. En el punto de equivalencia de la reacción, los iones hidronio (H+) e hidróxido (OH-) reaccionan para formar agua, lo que resulta en un pH de 7 .La curva de una valoración de ácido fuerte con base fuerte presenta un salto de pH en las proximidades del punto de equivalencia. El punto de equivalencia es el punto de máxima pendiente y si se representa la derivada de la curva de valoración, el punto de equivalencia corresponde al máximo. Las concentraciones del reactivo valorante y del analito influyen en la forma de las curvas de neutralización de ácidos fuertes, de manera que el cambio de pH en la región del punto de equivalencia es tanto más considerable cuando más altas sean dichas concentraciones. En la muestra 2 se produce una titulación entre el CH3COOH y el NaOH. La curva de una valoración de ácido débil con base fuerte presenta un salto de pH en las proximidades del punto de equivalencia, siendo el valor de pH>7 en este punto. Además del punto de equivalencia, existe otro punto de inflexión en este tipo de curvas que corresponde al punto de semi neutralización, que corresponde al volumen de base necesario para neutralizar la mitad del ácido. En este punto las concentraciones analíticas del ácido y la base conjugada son idénticas, eliminando estos términos de la expresión de la constante ácida, siendo máxima la capacidad de tamponamiento de esta disolución respecto de todas aquellas formadas antes del punto de equivalencia. En la muestra 3 se produce una titulación entre el KOH y el KCl, es decir, una base fuerte y una base débil.

Al momento de que se obtuvieron los resultados de la gráfica de titulación, la gráfica que se obtiene pertenece al mismo comportamiento de una curva de titulación de hidróxidos, ya que la curva comienza a decaer hacia valores más bajos, es decir hacia pH ácidos, por lo que se forma una curva sigmoidea de forma opuesta. Como se puede observar en la figura 7, en cuanto se añade más volumen de HCl el pH comienza a disminuir, esto ocurre ya que, cuando un ácido fuerte se neutraliza con una base fuerte, el pH experimenta una brusca variación justamente en el punto de equivalencia, lo que ocasiona que la concentración de H+ se reduzca rápidamente hasta que, en el punto de equivalencia, cuando la neutralización es completa, queda una solución neutra de KCl y el pH es 7.0. Al realizar los cálculos para poder obtener los valores de la gráfica de la primera derivada, se obtiene una curva con un máximo que va a corresponder al punto de inflexión lo cual hizo que se pudiera determinar el punto final de la valoración a partir de cuándo se tenían agregados 20.75ml por parte del reactivo titulante. Al igual que la primera derivada, al realizar los cálculos para poder obtener los valores de la gráfica de la segunda derivada, permite mejorar la exactitud al momento de determinar el punto final de la valoración. La gráfica de la segunda derivada debe alcanzar valor cero en el punto de equivalencia de la valoración. Con el método de la primera derivada se pudo determinar que el volumen final de la valoración fue de 20.6ml, es decir que cuando se llegue a este valor, la reacción debe concluir, ya no debe existir más adición del reactivo. Con el valor obtenido del volumen de punto final del reactivo titulante se obtuvo que la concentración inicial con la que se tituló la valoración fue de 0.08961 M. En cuanto a la muestra 4, se llevó a cabo una reacción entre amoniaco (NH3) y ácido clorhídrico (HCl). en esta muestra la concentración del analito (amoniaco) era desconocida, por lo que una manera de poder conocerla fue aplicando el método de titulación potenciométrica donde el analito tenía que reaccionar con un reactivo titulante (ácido clorhídrico) con concentración conocida, de esta manera es que se puede calcular la concentración desconocida, en función del volumen gastado de reactivo titulante. Es importante mencionar que en el momento en que se puso a reaccionar el analito con el reactivo titulante, la reacción produjo cloruro de amonio (NH4Cl), el punto final de la reacción se pudo conocer con ayuda del potenciómetro, que registra los cambios bruscos en la propiedades fisicoquímicas que se presentan en la sustancia, en este caso el cambio se produjo entre los 16.5 y 17 ml gastados del reactivo titulante, quiere decir que entre estos valores se encuentra el punto de equivalencia y se puede observar en la curva de titulación de la muestra 4. Sin embargo para poder tener una mejor idea del volumen exacto en el que se produce el punto de equivalencia fue necesario graficar en función de la primera y segunda derivada de los datos arrojados por el potenciómetro, es así que se pudo conocer el volumen exacto donde el analito se ha agotado y por lo tanto el pH cambia bruscamente.

CONCLUSIONES 3. En la muestra 3, la titulación potenciométrica si fue efectiva al poder determinar el volumen gastado en el punto final en la titulación, ya que, al introducir el electrodo de pH en la solución, el potenciómetro siguió el cambio real de la actividad de la adición del reactivo (en este caso del HCl), por lo que se iba conocer hasta qué punto los iones hidronios del HCl así como los iones hidróxidos del NaOH están presentes en concentraciones iguales, es decir en el punto de equivalencia. A partir de este punto ocurrió la neutralización entre estos dos compuestos. Al estimar la posición al observar el cambio físico relacionado con la condición de equivalencia, se pudo determinar hasta qué punto ya existía un exceso de HCl (punto final) en la valoración entre el HCl y el NaOH, y así poder determinar la concentración inicial de la muestra.Las gráficas de las curvas de titulación permitieron visualizar el comportamiento de la muestra de estas sustancias fuertes y la obtención de los puntos. 4.- La titulación potenciométrica realmente ayudó de gran manera a identificar el

volumen exacto en que se produce el punto final en la muestra 4 ya que una vez que se introdujo el electrodo en la solución, el potenciómetro registra todos lo cambios que se producen en el pH, de manera que el HCl estaba reaccionando con el NH3, hasta que el NH3 se gastó por completo, en ese momento es cuando se produjo el punto de equivalencia, es decir; el analito se agotó por completo, por lo que el pH cambia de valores neutros 7.5 a valores alcalinos 2.9. finalmente este cambio se pudo observar en el cambio de pendiente en la curva de titulación.

CUESTIONARIO 1.Explica en qué consisten el error ácido y el error alcalino en las lecturas de pH del electrodo y cual es la razón por lo que sucede cada uno. Error Acido Los electrodos de vidrio típicos presentan un error, de signo opuesto al error alcalino, en disoluciones de pH menor que aproximadamente, 0.5. Como consecuencia, las lecturas del pH tienden a ser demasiado elevadas en esta región y por tanto el pH leído es mayor que el pH real, probablemente porque la superficie del vidrio se satura de H+, y no puede protonarse en más sitios. La magnitud del error depende de una variedad de factores y generalmente no es muy reproducible. Las causas del error ácido no se comprenden bien. Error Alcalino

Cuando se trabaja con altas concentraciones de álcalis, la determinación de pH con un electrodo de vidrio puede estar sujeta a importantes desviaciones, fenómeno que se conoce como “error alcalino”. Bajo condiciones extremas donde se encuentra reducida la actividad de iones H+, la membrana de vidrio sólo responde a los iones de sodio. A pesar de que el efecto se denomina el error alcalino, en realidad es sólo de los iones de sodio o los de litio los que provocan perturbaciones considerables. El efecto aumenta al aumentar la temperatura y el valor de pH (pH> 9), y puede minimizarse mediante el uso de un vidrio de membrana especial de pH. 2.Desarrolla un diagrama de flujo que represente la calibración del potenciómetro con el electrodo de pH.

3.Describe con un ejemplo el método del paralelogramo para determinar el punto final de una titulación. “Determinación del punto final de una valoración de 10 ml de hidróxido sódico (NaOH) con ácido clorhídrico (HCl) 0,1 N (F = 1,035) como valorante aplicando el método del paralelogramo.” Antes de determinar el punto final de la titulación, se obtienen los datos de la valoración en el laboratorio, el siguiente paso es representar el pH en función del volumen de valorante, donde se obtiene una gráfica en forma de curva sigmoidea. El punto final se estima en el punto medio del tramo de bajada rápida de la curva. Para realizar el método del paralelogramo se necesita realizar: 1.Se deben trazar las tangentes a los dos tramos rectos de la curva de valoración y se obtienen dos líneas: una línea superior (línea 1) y otra inferior (línea 2). 2.Se traza la recta tangente a la curva por el punto de inflexión. Se van a obtener los puntos de corte A con la línea 1 y B con la línea 2. 3.Desde los puntos A y B se trazan líneas paralelas al eje de ordenadas (eje de pH) de tal manera que pase por el punto A y el punto B, obteniéndose las líneas 4 y 5. Se obtiene el punto de corte C entre las líneas 2 y 4 y el punto de corte D entre las líneas 1 y 5. 4.Se traza una recta que une los puntos C y D que va a ser la línea 6. Esta recta corta con la línea 3 en el punto E, que corresponde al punto final de la valoración. 5.En el eje de abscisas (eje de VHCl) se lee el volumen de HCl necesario para alcanzar el punto final de la valoración. La gráfica quedaría de la siguiente manera:

Figura 13. Aplicación del método del paralelogramo para la determinación del punto final en la valoración potenciométrica ácido-base de 10 ml NaOH con HCl 0,1 N (F= 1,035) como valorante. Obtenido de: Universidad Politécnica de Valencia

A partir de esta gráfica mostrada se puede observar que el punto final de la valoración es de 9.8ml marcado por la flecha hacia el eje de las abscisas. 4. Utiliza uno de los ejercicios propuestos u otro y describe cómo determinar el punto final de la titulación con el método de Gran. Este procedimiento se basa en el ajuste mediante mínimos cuadrados de la recta resultante de representar la función de Gran frente al volumen de base adicionado. La función de Gran para la valoración de un ácido fuerte con una base fuerte viene dada por la siguiente expresión: G = (Vi + V)·10-pH, siendo Vi el volumen inicial de la valoración. Esta representación conduce a una recta de ecuación G = a + bV en la que b es la pendiente y a la ordenada en el origen. Cuando G es igual a cero, V es igual al volumen en el punto de equivalencia, pudiéndose calcular éste mediante el cociente -a/b. Ejemplo: para la muestra 4 NH3 + HCl → NH4Cl Para poder observar el punto de equivalencia se tiene que aplicar la fórmula G = (Vi + V)·10-pH. de esta manera es posible obtener el dato “Gran”. por ejemplo: para el primer valor, la ecuación estaría dado por G = (0 + 10)·10-11.5 resultando G= 8.91251E-11, esta misma ecuación se aplica para todos los volúmenes. Una vez calculado este dato, se grafica en función de volumen, es decir, el volumen ocupa el eje de las x y Grant el eje de la y. La gráfica que se obtiene es la siguiente:

Se puede observar que el punto de equivalencia es donde se produce un cambio en la pendiente de la recta. En la gráfica se puede observar que este cambio se encuentra entre un volumen de 16.5 y 17, sin embargo aún no se tiene el valor exacto, para poder encontrarlo se realiza lo siguiente: Se tiene que tomar en cuenta la representación: G = a + bV, donde a = ordenada al origen y b= pendiente. Para encontrar a y b se procede a aplicar mínimos cuadrados a la parte lineal donde la pendiente ha cambiado, en este caso se usa la parte resaltada en rojo.

Una vez aplicado el método de mínimos cuadrados se obtiene a= -1.2533 y b=0.075076. Finalmente, el punto de equivalencia se puede calcular el cociente -a/b. por lo tanto para este ejemplo es: -(-1.2633)/0.075076, dando como resultado: punto de equivalencia igual a 16.69

BIBLIOGRAFÍA ● Análisis Volumétrico. (s. f.). Universidad de http://docencia.udea.edu.co/cen/QuimicaAnaliticaI/volu.htm

Antioquia.

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● Holler, F., & Crouch, S. (2015). Fundamentos de ...