Ejercicios: Neutralización y volumetrías

En el laboratorio se lleva a cabo la neutralización de $40.0\,\text{mL}$ de una solución acuosa de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, de concentración $0.050\,\text{M}$, empleando como reactivo valorante una solución acuosa de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración $0.125\,\text{M}$ a la temperatura de $25\,^\circ\text{C}$.

1. a) Escribe la ecuación química balanceada correspondiente a la reacción de neutralización que tiene lugar.
2. b) Calcula el volumen de solución de $\mathrm{HCl}$, expresado en mililitros, que se requiere añadir para alcanzar exactamente el punto de equivalencia estequiométrico.

Al realizar la valoración volumétrica de $25.0\,\text{mL}$ de ácido acético, $\mathrm{CH_3COOH}$ (ácido débil), con una disolución de hidróxido de sodio, $\mathrm{NaOH}$ (base fuerte), el punto de equivalencia se alcanza teóricamente a $\mathrm{pH} \approx 8.8$. En el laboratorio se dispone de dos indicadores ácido-base: rojo de metilo (intervalo de viraje de $\mathrm{pH}$ entre $4.4$ y $6.2$, de rojo a amarillo) y fenolftaleína (intervalo de viraje de $\mathrm{pH}$ entre $8.2$ y $10.0$, de incoloro a rosa).

1. a) Define y diferencia de forma concisa el concepto de punto de equivalencia frente al de punto final de una valoración volumétrica.
2. b) Justifica cuál de los dos indicadores resulta idóneo para minimizar el error experimental en esta valoración.

Para determinar la concentración desconocida de una disolución acuosa de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, se toma una alícuota de $25.0\,\text{mL}$ con una pipeta aforada y se transfiere a un matraz erlenmeyer, añadiendo dos gotas de fenolftaleína. Se llena una bureta graduada de $50.0\,\text{mL}$ (incertidumbre de lectura de $\pm 0.05\,\text{mL}$ por enrase) con una disolución patrón de hidróxido de sodio, $\mathrm{NaOH}$, $0.100\,\text{M}$. En la figura se detalla el montaje experimental junto a la lectura inicial de la bureta y la lectura final en el instante de viraje.

La lectura inicial del menisco es de $1.20\,\text{mL}$ y la lectura final en el punto de viraje persistente es de $24.60\,\text{mL}$.

1. a) Determina el volumen neto de disolución de $\mathrm{NaOH}$ consumido en la valoración y calcula la incertidumbre absoluta asociada a dicha medida volumétrica.
2. b) Calcula la concentración molar de la disolución de $\mathrm{HCl}$ analizada, expresando el resultado con las cifras significativas adecuadas. Estime conservadoramente la incertidumbre del volumen consumido sumando las dos incertidumbres máximas de lectura.

Se analiza la riqueza en ácido acético, $\mathrm{CH_3COOH}$, de un vinagre comercial de densidad $1.01\,\text{g/mL}$. Para ello, se toman $10.0\,\text{mL}$ del vinagre con pipeta aforada, se introducen en un balón aforado de $100.0\,\text{mL}$, se enrasa con agua desionizada y se homogeniza. A continuación, se extrae una alícuota de $20.0\,\text{mL}$ de la disolución diluida y se valora con una disolución acuosa de $\mathrm{NaOH}$ de concentración $0.120\,\text{M}$ en presencia de fenolftaleína. Para alcanzar el punto final se consumen exactamente $16.5\,\text{mL}$ de valorante.

Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$.

1. a) Escribe la ecuación ajustada de la reacción de neutralización.
2. b) Calcula la concentración molar del ácido acético en el vinagre original y determina su porcentaje en masa ($\%\,\text{m/m}$).

Se desea cuantificar el contenido en carbonato de calcio, $\mathrm{CaCO_3}$, de una tableta antiácida comercial de masa total $1.20\,\text{g}$. La muestra pulverizada se hace reaccionar con $50.0\,\text{mL}$ de disolución acuosa de $\mathrm{HCl}$ $0.600\,\text{M}$, generándose dióxido de carbono según el proceso:

$\mathrm{CaCO_3\,(s) + 2\,HCl\,(aq) \rightarrow CaCl_2\,(aq) + CO_2\,(g) + H_2O\,(l)}$.

Una vez expulsado todo el gas formado, el exceso de ácido clorhídrico remanente se valora por retroceso con una disolución de $\mathrm{NaOH}$ $0.250\,\text{M}$, requiriéndose un volumen de $44.0\,\text{mL}$ de la base para alcanzar el viraje.

Datos: Masas atómicas: $\mathrm{Ca}=40.1$; $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{O}=16.0$.

1. a) Calcula la cantidad de sustancia de $\mathrm{HCl}$, en moles, que reaccionó con el $\mathrm{CaCO_3}$.
2. b) Determina la masa de $\mathrm{CaCO_3}$ presente en la tableta y su porcentaje en masa en el medicamento. Supón que los demás componentes de la tableta no reaccionan con el ácido y que no se pierde HCl durante la expulsión del gas.

Se valoran $25.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido benzoico, $\mathrm{C_6H_5COOH}$ (ácido débil monoprótico), de concentración $0.0100\,\text{M}$ con una disolución patrón de hidróxido de potasio, $\mathrm{KOH}$, $0.0100\,\text{M}$ a $25\,^\circ\text{C}$.

Datos a $25\,^\circ\text{C}$: $K_\mathrm{a}(\mathrm{C_6H_5COOH}) = 6.30 \times 10^{-5}$; $K_\mathrm{w} = 1.00 \times 10^{-14}$.

1. a) Calcula el $\mathrm{pH}$ inicial de la disolución ácida antes de comenzar la adición de base y calcula el $\mathrm{pH}$ tras haber añadido exactamente $12.5\,\text{mL}$ de la disolución de $\mathrm{KOH}$.
2. b) Determina el volumen de disolución de $\mathrm{KOH}$ necesario para alcanzar el punto de equivalencia y calcula justificadamente el valor del $\mathrm{pH}$ en dicho punto estequiométrico, formulando las reacciones correspondientes. Considera ideales las disoluciones y aditivos los volúmenes.

En un laboratorio de control químico se valoran $50.0\,\text{mL}$ de una solución acuosa de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$, $0.0400\,\text{M}$ mediante la adición controlada de una solución patrón de hidróxido de sodio, $\mathrm{NaOH}$, de concentración $0.0500\,\text{M}$ a $25\,^\circ\text{C}$.

Dato: $K_\mathrm{w} = 1.00 \times 10^{-14}$ a $25\,^\circ\text{C}$. Se asume que los volúmenes son estrictamente aditivos.

1. a) Determina el $\mathrm{pH}$ de la mezcla resultante tras haber adicionado $30.0\,\text{mL}$ de la solución de $\mathrm{NaOH}$. Calcula asimismo el volumen de valorante necesario para alcanzar el punto de equivalencia y justifica el valor del $\mathrm{pH}$ en dicho punto.
2. b) Calcula el nuevo valor de $\mathrm{pH}$ de la solución tras añadir un volumen acumulado de $45.0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ (en exceso respecto al punto de equivalencia). Considera ideales las soluciones y aditivos los volúmenes.

Se valoran $30.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de amoníaco, $\mathrm{NH_3}$, de concentración $0.150\,\text{M}$ con una disolución de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, $0.100\,\text{M}$ a $25\,^\circ\text{C}$.

Datos a $25\,^\circ\text{C}$: $K_\mathrm{b}(\mathrm{NH_3}) = 1.80 \times 10^{-5}$; $K_\mathrm{w} = 1.00 \times 10^{-14}$.

Indicadores disponibles (nombre, intervalo de viraje, color forma ácida/color forma básica): verde de bromocresol ($3.8 - 5.4$, amarillo/azul); rojo de metilo ($4.4 - 6.2$, rojo/amarillo); timolftaleína ($9.3 - 10.5$, incoloro/azul).

1. a) Calcula el volumen de disolución de $\mathrm{HCl}$ consumido en el punto de equivalencia y el $\mathrm{pH}$ de la disolución en dicho punto, justificando químicamente su acidez.
2. b) Selecciona razonadamente un indicador adecuado entre los tres propuestos y explica detalladamente qué consecuencia analítica tendría utilizar de forma errónea timolftaleína en esta volumetría. Considera ideales las disoluciones y aditivos los volúmenes.