Neutralización y volumetrías
En el laboratorio de control de calidad de una fábrica de vinagre en el Callao necesitan saber cuánto ácido acético tiene cada lote. No pueden "ver" las moléculas, pero sí hacerlas reaccionar con una solución de concentración exactamente conocida y medir cuánta hace falta. Esa técnica se llama volumetría o valoración (también titulación) ácido-base.
Qué es una titulación
Un pH-metro en el jugo de limón de un puesto del mercado marca pH 2.4, pero esa cifra solo mide los protones que ya están libres. No dice cuántos gramos de ácido cítrico hay en total. ¿Cómo hacemos reaccionar todas las moléculas ácidas para poder contarlas?
La idea es la misma que en una receta: si la ecuación dice que 1 mol de ácido reacciona con 2 mol de base, en la equivalencia siempre habrá el doble de moles de base que de ácido. Por eso no alcanza con recordar $c_a \cdot V_a = c_b \cdot V_b$: hay que mirar la ecuación balanceada.
En el laboratorio se lleva a cabo la neutralización de $40.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)2}$, de concentración…
En el laboratorio se lleva a cabo la neutralización de $40.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, de concentración $0.050\,\text{M}$, empleando como reactivo valorante una disolución acuosa de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración $0.125\,\text{M}$ a la temperatura de $25\,^\circ\text{C}$.
- a) Escribe la ecuación química ajustada correspondiente a la reacción de neutralización que tiene lugar.
- b) Calcula el volumen de disolución de $\mathrm{HCl}$, expresado en mililitros, que se requiere añadir para alcanzar exactamente el punto de equivalencia estequiométrico.
Punto de equivalencia e indicadores
No vemos los moles en el Erlenmeyer, así que usamos un indicador: una sustancia que cambia de color según el pH. El punto final es el instante en que vemos el cambio de color. Lo ideal es que coincida con el punto de equivalencia, y para eso el intervalo de viraje del indicador tiene que estar cerca del pH de equivalencia.
El pH durante la valoración
Antes del punto de equivalencia sobra analito; después, sobra titulante. En ambos casos calculas los moles que sobran y los divides entre el volumen total (suma de los dos volúmenes). Con ácido y base fuertes, el pH en la equivalencia es 7 a 25 °C. Si sobra base, calcula $[\text{OH}^-]$, luego pOH y pH $= 14 - \text{pOH}$.
En un laboratorio de control químico se valoran $50.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$, $0.0400\,\text{M}$ mediante la adición…
En un laboratorio de control químico se valoran $50.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$, $0.0400\,\text{M}$ mediante la adición controlada de una disolución 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 asumen volúmenes estrictamente aditivos.
- a) Determina el $\mathrm{pH}$ de la mezcla resultante tras haber adicionado $30.0\,\text{mL}$ de la disolución 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.
- b) Calcula el nuevo valor de $\mathrm{pH}$ de la disolución tras añadir un volumen acumulado de $45.0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ (en exceso respecto al punto de equivalencia). Considera ideales las disoluciones y aditivos los volúmenes.
Aplicaciones: pureza, incertidumbre y titulación por retroceso
Una vez que sabes cuántos moles de analito hay, puedes calcular la concentración, la masa o la pureza (%) del producto original: el porcentaje en masa de la sustancia buscada.
Titulación por retroceso
A veces la reacción directa es lenta o el analito no se disuelve (como el $\ce{CaCO3}$ de un antiácido). Entonces se agrega un exceso medido de reactivo, se deja reaccionar y el sobrante se titula con otra solución patrón.
Incertidumbre de la bureta
El volumen gastado es una diferencia entre la lectura final y la inicial. Cada lectura tiene su incertidumbre (por ejemplo $\pm 0.05\ \text{mL}$), y las dos se suman: para una estimación prudente, la incertidumbre del volumen gastado es $\pm 0.10\ \text{mL}$, no $\pm 0.05\ \text{mL}$.
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…
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 una fiola de $100.0\,\text{mL}$, se enrasa con agua desionizada y se homogeneiza. 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: $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{H}=1.0$; $\mathrm{O}=16.0$.
- a) Escribe la ecuación ajustada de la reacción de neutralización.
- 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…
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: $\mathrm{Ca}=40.1$; $\mathrm{C}=12.0$; $\mathrm{O}=16.0$.
- a) Calcula la cantidad de sustancia de $\mathrm{HCl}$, en moles, que reaccionó con el $\mathrm{CaCO_3}$.
- 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.
Seguridad en el laboratorio
Vuelta al principio: con una titulación, el laboratorio de la fábrica mide moles de titulante, los pasa a moles de ácido acético con la ecuación balanceada y obtiene la pureza del vinagre en % m/m, sin tener que "ver" ninguna molécula.