Universidad del Valle de México Coyoacán

Valoraciones ácido-base

Valoraciones Cualitativas

En términos generales la reacción entre cantidades equivalentes de ácidos y bases se llama neutralización o reacción de neutralización, la característica de una reacción de neutralización es siempre la combinación de hidrogeniones que proceden del ácido, con hidroxiliones procedentes de la base para dar moléculas de agua sin disociar, con liberación de energía calorífica como calor de neutralización y formación de una sal.

En una expresión como la siguiente expresión:

Ácido + Base Sal + Agua

Un caso particular sería la reacción entre un ácido fuerte (HNO3) y una base débil (Na2CO3).

2HNO3 + Na2CO3 2 NaNO3 + CO2+ H2O

Así pues, la titulación es un proceso en el cual la solución estándar (del patrón primario) se combina con una solución de concentración desconocida para determinar dicha concentración, la curva de titulación es la gráfica que indica como el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma (el pH se gráfica contra el volumen de base o ácido agregado).

Entonces podría entenderse como final de la titulación al momento en que el pH llegase a 7, sin embargo, esto está en función de lafuerzadel ácido o la base que se están titulando.

Así cuando la neutralización se produce entre un ácido fuerte y una base fuerte. El pH en el punto de equivalencia es 7 ya que todos los iones han sido neutralizados.

Por otra parte, cuando la reacción ocurre entre una base fuerte y un ácido débil, el anión del ácido sufre una hidrólisis, por lo que el pH al que ocurre la neutralización es mayor que 7. Y en la situación contraria, entre ácido fuerte y una base débil, el catión de la base sufre una hidrólisis produciéndose iones hidrónio, por lo que el pH es menor que 7.

En las titulaciones se pueden utilizar indicadores internos. Los indicadores son compuestos orgánicos de estructura compleja que cambian de color en solución a medida que cambia el pH. A continuación se describen algunos de ellos.

INDICADOR

COLOR ÁCIDO RANGO DE pH DEL CAMBIO DE COLOR COLOR ALCALINO
Azul de timol Rojo 1.2 – 2.8 Amarillo
Anaranjado de metilo Rojo 3.1 – 4.5 Amarillo
Verde de bromocresol Amarillo 3.8 – 5.5 Azul
Rojo de metilo Rojo 4.2 – 6.3 Amarillo
Papel de tornasol Rojo 5.0 – 8.0 Azul
Azul de bromotimol Amarillo 6.0 – 7.6 Azul
Azul de timol Amarillo 8.0 – 9.6 Azul
Fenolftaleína Incoloro 8.3 – 10.0 Rojo
Amarillo de alizarina Amarillo 10.0 – 12.1 Alhucema

En este tipo de titulaciones (con indicador interno) no se requiere de ningún gráfico para determinar el punto de equivalencia, solo se requiere observar el cambio de coloración de la solución para concluir el final de la reacción y hacer las mediciones correspondientes.

Las titulaciones potenciométricas al igual que en el caso anterior, son un proceso en el cual la solución estándar (del patrón primario) se combina con una solución de concentración desconocida para determinar dicha concentración, la curva de titulación es la gráfica que indica como el pH de la solución cambia durante el transcurso de la misma ( [*] el pH se gráfica contra el volumen de base o ácido agregado)

Para determinar el punto de equivalencia, podemos utilizar la curva de titulación potenciométrica de la reacción ácido-básica.

Como se observa, la concentración de los iones hidrónio, antes de agregar el ácido y comenzar la titulación corresponde a la concentración de iones hidrónio de la solución de la base débil. A medida que se agrega el ácido, la base débil se transforma en su sal, la solución contiene la base débil y la sal del ácido fuerte, y por consiguiente está amortiguada.

El primer punto de equivalencia corresponde a un volumen agregado de ácido, el cual ha neutralizado únicamente una carga del carbonato, y es hasta el segundo punto, donde el carbonato de sodio pierde sus propiedades. Está neutralizado. La valoración del carbonato sódico no puede realizarse con la exactitud que exige una normalización; por ello se valora siempre el segundo equivalente de hidrógeno.

De acuerdo con la reacción anterior. Y en función de la ecuación siguiente, misma que ya hemos mencionado anteriormente:

NA VA = NB VB

si en éste proyecto experimental, se utilizara una base 0.1N, en un volumen de 50 ml, ésta será neutralizada con 25.0 ml de ácido. Desde el punto de vista experimental la problemática se reduce a la determinación del volumen del reactivo titulante, es obvio que éste es el correspondiente a las condicionnes del sistema, estamos hablando de la pureza del reactivo a titular. Por lo tanto, a manera de hipótesis, se establece que la normalidad del ácido es 0.2 N al reaccionar en éste sistema.

Valoraciones Cuantitativas

Ya que hemos comprendido la importancia de una neutralización ácido - base, ahora explicaremos la forma cuantitativa de evaluación, ya que el procedimiento anterior sólo nos indica un valor aproximado del pH que tiene nuestro analito, sin embargo, si lo que se desea es obtener el pH preciso debemos acudir a la construcción de las curvas de valoración.

recordemos que las reacciones ácido-base son reacciones de equilibrio homogéneo (neutralización) entre los iones, que se producen al estar en contacto un ácido con una base obteniéndose una sal mas agua.

Durante las operaciones rutinarias en el laboratorio así como en la de los análisis volumétricos son prácticamente mayor los problemas relacionados con la estequiometrìa, una de ellas es la normalidad que se define como el número de equivalentes de soluto por litro de solución.

La normalidad es útil porque el equivalente se obtiene de manera que un equivalente de un agente oxidante reaccione con un equivalente de un agente reductor, un mol de electrones adquiridos y un mol de electrones perdidos. De manera semejante.

Un equivalente de un ácido neutraliza completa y precisamente un equivalente de una base, puesto que un mol H+ reaccionará con un mol de OH- .

Esto significa que al mezclar volúmenes iguales de soluciones que tienen la misma normalidad llevara a una reacción completa entre sus solutos, un litro de ácido 1N neutralizará completamente un litro de base 1N porque un equivalente de ácido reaccionara con un equivalente de base.

Esta reacción se utiliza par averiguar la cantidad de ácido que posee una disolución a partir de una cantidad de base conocida, o viceversa.

Dicha técnica recibe el nombre de titilación por método volumétrico, volumetría ácido-base o reacción de neutralización.

Este método se realiza mediante una bureta que contiene una de las disoluciones y un matraz con la otra disolución, se vierte cuidadosamente el contenido el contenido de la bureta en el matraz hasta la neutralización de dicha solución.

El final de la titilación se nos advierte con un indicador suele cambiar de color, según exista un exceso de ácido o de base.

en la titulación

•La solución solo contiene acido fuerte
• El pH de la solución se determina usando la formula para determinar pH de un acido fuerte.
•La concentración de H+  es igual a la concentración del acido fuerte.

fase antes del punto de equivalencia

  • Se añade base pero no es suficiente para completar la reacción de el acido
  • El pH depende del acido sin reaccionar
fase antes del punto de equilibrio
•La base añadida es justamente la necesaria para completar la reacción
•Los moles de acido son igual a los moles de base
•El PH en esta etapa es igual a 7
fase despues del punto de equivalencia
  • Hay exceso de base
  • Se determina la concentración de OH-

Las valoraciones ácido-base poseen las siguientes características

- Se basan en una reacción volumétrica ácido-base.
- El fundamento teórico de dicha reacción es la transferencia de protones entre el ácido y la base
- El intervalo de viraje se caracteriza por un cambio brusco del pH.
- Se necesita un indicador químico o un pHmetro para monitorizar la valoración.

Los casos más frecuentes en las valoraciones ácido-base son:

1. valoración de ácido fuerte con base fuerte
2. valoración de base fuerte con ácido fuerte
3. valoración de ácido débil con base fuerte
4. valoración de base débil con ácido fuerte

En los casos 3 y 4 también hay que tener en cuenta el equilibrio ácido-base del disolvente.
NUNCA se valora un ácido o base débil con una base ó ácido débil.

Las curvas de titulación son las representaciones gráficas de la variación del pH durante el transcurso de la valoración. Dichas curvas nos permiten:

- estudiar los diferentes casos de valoración (ácido fuerte vs. base fuerte; base fuerte vs. ácido fuerte; ácido débil vs. base fuerte; base débil vs. ácido fuerte).
- determinar las zonas tamponantes y el pKa.
- determinar el intervalo de viraje y el punto de equivalencia.
- seleccionar el indicador ácido-base más adecuado.

Los casos más frecuentes en Bioquímica son las valoraciones de ácidos y bases débiles, ya que muchos metabolitos presentan un cierto carácter ácido ó básico. A modo de ejemplo, a continuación se presenta la curva de titulación del Tris, una base débil, que se ha de titular con un ácido fuerte (ej. HCl)

Ácido fuerte = ácido titulante (HCl) vs. base débil = analito (Tris)

Fases de una curva de titulación

En esta curva de valoración se pueden distinguir las siguientes fases


1. Antes de añadir el ácido: BH+ + OH- <-----> B + H2O
El pH de la disolución viene determinado por el pKb (=14-pKa) y predomina la base conjugada dentro del par.

2. Al ir añadiendo el ácido titulante (HCl), se forman las especies B = Tris y BH+ = TrisH+.
La relación entre la abundancia de las distintas especies y el pH se puede establecer mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch. Tal y como se ha descrito anteriormente, cuando [A− ] = [AH] , entonces a pH = pK . El pKa supone un punto de mínima pendiente en la curva de titulación y se sitúa en el punto medio de la zona tampón.

Zona tampón: tramo de la curva de titulación en el que se producen mínimas variaciones de pH al añadir equivalentes H3O+/OH- ; se localiza en el intervalo de pH = pKa ± 1 unidad de pH. En esta región, el ácido y su base conjugada se presentan en concentraciones similares (factor de 10; es decir cuando pH- pKa = 1, el ácido se encuentra desprotonado en un 90%).

3. PE = Punto de equivalencia. Es el pH al cual se cumple que N.meq.acido = N.meq.base y se localiza en el punto medio del intervalo de viraje.
En el punto de equivalencia toda la base se ha transformado en su forma ácida conjugada, y se cumple que B→BH+ ; en nuestro caso, B = Tris, por lo que Tris→TrisH+ . El intervalo de viraje es el tramo de la curva en el cual pequeñas adiciones del ácido titulante producen grandes variaciones del pH de la disolución y es la zona de máxima pendiente de la curva de titulación.Teniendo en cuenta que se emplea un ácido fuerte y una base débil en esta valoración, el punto de equivalencia (PE) se localiza a pH < 7, por lo que se habla de una HIDRÓLISIS ACIDA.

4. En este tramo de la curva existe un exceso de H3O+ provenientes de la hidrólisis del ácido fuerte, y por lo tanto, el pH de la disolución viene definido por el exceso del ácido titulante.

Gráfica de la curva de valoración

En el eje de abscisas se representa la cantidad de agente titulante añadido (equivalentes, moles, volumen…) y en el eje de ordenadas, el pH obtenido. Los puntos se pueden unir con una línea. En esta gráfica se pueden distinguir las distintas fases indicadas en la práctica anterior; cabe recordar que en el punto medio de la zona tampón se localiza el valor pKa, y en el punto medio del intervalo de viraje, el punto de equivalencia. Así, a partir de la curva de valoración es posible determinar de forma intuitiva el valor pKa y la cantidad de base valorada.

Resultados esperados

Normas a tener en cuenta a la hora de realizar esta tarea.
- Empleo del S.I.
- Utilización correcta de las magnitudes, unidades y cifras significativas.
- Los resultados deben deducirse, y no sólo incluir el resultado final.
- Empleo de la notación científica.
- Queda absolutamente descartado el uso de reglas de tres, por no ser cálculos
matemáticos válidos.
A continuación se muestra una tabla modelo, donde se han completado las casillas siguiendo las instrucciones anteriores. Los datos de esta tabla se han representado gráficamente, obteniéndose una curva de valoración.

tabla ejemplo para la elaboración de una curva de valoración

Grafica correspondiente a la tabla anterior

Tras realizar la representación gráfica de la curva de valoración, se han calculado intuitivamente el valor pKa y el punto de equivalencia.

- para calcular el valor pKa, se establecen los límites de la zona tampón y se halla el punto medio 7.1 < zona tampón < 9.06

Por lo tanto, el valor del pKa del Tris hallado a partir de la gráfica es pKa = 8.08 El valor de =10− pKa =10-8.08 = 8.32x10-9

- para calcular el punto de equivalencia, se establecen los límites del intervalo de viraje (si bien es más complicado que establecer los límites de la zona tampón) y se halla el punto medio. 2.31 < intervalo de viraje < 7.1

Se puede observar que a pH = 4.71, aproximadamente se ha añadido 6 ml de HCl 1M; por lo tanto habria 6 meq de ácido en solución. Como en el punto de equivalencia se cumple que N.meq.acido = N.meq.base , debería haber 6 meq de base. Si el volumen inicial de Tris era de 60 ml 0.1 M, hay 6 meq de base. Se esta forma se comprueba la propiedad que define el punto de equivalencia.

 

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