Titulações e ponto de equivalência
Na aula laboratorial, a turma da Leonor recebeu uma solução de hidróxido de sódio sem rótulo. Como descobrir a sua concentração sem a poder «ver»? A resposta é uma técnica de análise química: a titulação. Ao longo da página vais perceber como funciona e, no fim, voltas a esta pergunta.
Material e conceitos da titulação
Numa titulação ácido-base, faz-se reagir uma solução de concentração desconhecida com outra de concentração rigorosamente conhecida (a solução padrão), medindo o volume gasto desta até a reação ser completa.
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Titulado: a solução de concentração desconhecida, com volume medido com rigor (pipeta volumétrica) e colocada no balão (erlenmeyer).
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Titulante: a solução padrão, colocada na bureta e adicionada aos poucos.
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Indicador: substância que muda de cor perto do fim da reação (algumas gotas no titulado).
O titulante é adicionado gota a gota perto do fim, agitando sempre o balão. O volume gasto lê-se na bureta.
Dois momentos têm de ser distinguidos:
Um bom indicador é escolhido para que o ponto final coincida (quase) com o ponto de equivalência.
Para determinar a concentração de uma solução de ácido clorídrico, a turma do Guilherme montou o material representado na figura: em cima está a solução de hidróxido de…
Para determinar a concentração de uma solução de ácido clorídrico, a turma do Guilherme montou o material representado na figura: em cima está a solução de hidróxido de sódio e, no balão, estão $25,0\ \text{cm}^3$ da solução de $\text{HCl}$, medidos com pipeta volumétrica, e algumas gotas de fenolftaleína.
- a) Identifica o material de laboratório assinalado com as letras A e B.
- b) Indica qual é o titulante e qual é o titulado nesta titulação.
- c) Escreve a equação química da reação de neutralização que ocorre no balão.
- d) A fenolftaleína é incolor em meio ácido e cor-de-rosa em meio básico. Explica como se deteta, com este indicador, o momento em que se deve parar a adição de titulante.
Cálculo da concentração desconhecida
No ponto de equivalência, as quantidades de matéria de ácido e de base estão na proporção da equação. Para o ácido clorídrico e o hidróxido de sódio:
$$\text{HCl (aq)} + \text{NaOH (aq)} \rightarrow \text{NaCl (aq)} + \text{H}_2\text{O (l)}$$A proporção é de 1 para 1, logo, no ponto de equivalência, $n(\text{HCl}) = n(\text{NaOH})$. Porquê? Porque cada ião $\text{H}_3\text{O}^+$ do ácido é neutralizado por um ião $\text{OH}^-$ da base: se sobrasse um dos reagentes, a reação ainda não estaria completa.
Numa titulação, $20,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{HCl}$ $0,100\ \text{mol/dm}^3$ foram necessários para neutralizar completamente $25,0\ \text{cm}^3$ de uma…
Numa titulação, $20,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{HCl}$ $0,100\ \text{mol/dm}^3$ foram necessários para neutralizar completamente $25,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{NaOH}$ de concentração desconhecida.
- a) Escreve a equação da reação e mostra que, no ponto de equivalência, $n(\text{NaOH}) = n(\text{HCl})$.
- b) Calcula a quantidade de matéria de $\text{HCl}$ adicionada até ao ponto de equivalência.
- c) Determina a concentração da solução de hidróxido de sódio.
- d) Calcula a massa de $\text{NaOH}$ ($M = 40,0\ \text{g/mol}$) que estava dissolvida nos $25,0\ \text{cm}^3$ titulados.
Curva de titulação e indicadores
A curva de titulação representa o pH da solução do balão em função do volume de titulante adicionado. Vê o que acontece ao titular $20{,}0\ \text{cm}^3$ de $\text{HCl}$ $0{,}100\ \text{mol/dm}^3$ com $\text{NaOH}$ $0{,}100\ \text{mol/dm}^3$.
Repara:
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No início, o pH é baixo (ácido forte): $\text{pH} = -\log(0{,}100) = 1{,}00$.
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Perto do ponto de equivalência, o pH sobe muito com poucas gotas (o «salto»).
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No ponto de equivalência de ácido forte com base forte, $\text{pH} = 7{,}0$ a $25\ °\text{C}$, porque o sal formado ($\text{NaCl}$) não reage com a água.
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Depois, com excesso de base, o pH estabiliza num valor alto.
Os indicadores são ácidos ou bases fracos cuja forma ácida e básica têm cores diferentes. Cada um tem uma zona de viragem, intervalo de pH em que a cor muda. Para o ponto final coincidir com o ponto de equivalência, a zona de viragem deve estar dentro do salto de pH da curva.
| Indicador | Zona de viragem (pH) | Cor ácida / básica |
|---|---|---|
| Alaranjado de metilo | 3,1 – 4,4 | vermelho / amarelo |
| Azul de bromotimol | 6,0 – 7,6 | amarelo / azul |
| Fenolftaleína | 8,3 – 10,0 | incolor / rosa |
Na titulação acima, o salto cobre aproximadamente de pH 3 a pH 11, por isso os três indicadores serviriam (o alaranjado de metilo e a fenolftaleína ficam junto aos limites do salto), mas o azul de bromotimol é o que vira mais perto de $\text{pH} = 7$.
A figura mostra a curva de titulação de $20,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{HCl}$ $0,100\ \text{mol/dm}^3$ com uma solução de $\text{NaOH}$…
A figura mostra a curva de titulação de $20,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{HCl}$ $0,100\ \text{mol/dm}^3$ com uma solução de $\text{NaOH}$ $0,100\ \text{mol/dm}^3$: regista o pH no balão à medida que se adiciona o titulante.
- a) Lê na curva o volume de $\text{NaOH}$ adicionado até ao ponto de equivalência e o pH nesse ponto.
- b) Justifica o valor do pH no ponto de equivalência, sabendo que o sal formado não reage com a água.
- c) Calcula o pH da solução do balão antes de se começar a adicionar titulante e confirma o valor na curva.
- d) A tabela indica as zonas de viragem de três indicadores ácido-base. Indica qual (ou quais) seria(m) adequado(s) para detetar o ponto de equivalência nesta titulação, justificando com base no salto brusco da curva.
| Indicador | Zona de viragem (pH) |
|---|---|
| Alaranjado de metilo | 3,1 – 4,4 |
| Azul de bromotimol | 6,0 – 7,6 |
| Fenolftaleína | 8,2 – 10,0 |
Rigor dos resultados: vários ensaios
Uma única titulação pode ter erros (passar o ponto final, ler mal a bureta). Por isso fazem-se vários ensaios. O primeiro costuma ser de tentativa, mais rápido, para saber onde fica o ponto final aproximado.
O tratamento dos resultados segue estes passos:
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Rejeitar os valores que se afastam muito dos outros (não concordantes).
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Calcular o volume médio dos ensaios concordantes.
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Usar esse volume no cálculo da concentração.
A turma da Inês titulou $25,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{NaOH}$ com uma solução padrão de $\text{HCl}$ $0,0500\ \text{mol/dm}^3$ e registou os volumes de…
A turma da Inês titulou $25,0\ \text{cm}^3$ de uma solução de $\text{NaOH}$ com uma solução padrão de $\text{HCl}$ $0,0500\ \text{mol/dm}^3$ e registou os volumes de titulante gastos em três ensaios:
| Ensaio | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| $V(\text{HCl})$ (cm³) | 22,35 | 22,45 | 24,10 |
- a) Indica qual dos três valores deve ser rejeitado no tratamento dos resultados. Justifica.
- b) Calcula o volume médio dos ensaios concordantes.
- c) Determina a concentração da solução de hidróxido de sódio.
- d) Se, num dos ensaios, a adição de titulante tivesse sido interrompida antes de a solução do balão mudar de cor, o volume registado seria maior ou menor do que o correto? E qual seria o efeito desse erro no valor calculado da concentração? Justifica.
Em resumo
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Na titulação ácido-base, junta-se o titulante (solução padrão, na bureta) ao titulado (no balão, com indicador) até à reação completa.
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Ponto de equivalência: reagentes na proporção estequiométrica. Ponto final: mudança de cor do indicador.
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Cálculo: $n = c \times V$ do titulante, proporção da equação, depois $c = n/V$ do titulado.
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Curva de titulação: o pH dá um salto junto ao ponto de equivalência; ácido forte com base forte dá $\text{pH} = 7$. O indicador escolhe-se com a zona de viragem dentro do salto.
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Fazem-se vários ensaios, rejeitam-se os não concordantes e usa-se o volume médio.
De volta ao início: a turma da Leonor determina a concentração do hidróxido de sódio titulando-o com uma solução padrão de ácido, medindo o volume gasto até ao ponto final e aplicando a proporção da equação.