INDICADOR (K ind ) ROJO DE METILO

PRACTICA No.
DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
DEL INDICADOR (Kind) ROJO DE METILO
APLICACIÓN DEL ANÁLISIS FOTOMÉTRICO
INTRODUCCIÓN
La mayoría de las reacciones químicas no se llevan a cabo completamente, sino más bien,
se encuentran en equilibrio químico, la reacción se da de reactivos a productos y de
productos a reactivos, es decir, las reacciones son reversibles.
Para una reacción general:
aA + bB
cC + dD
La expresión de la constante de equilibrio será:
𝑲𝒆𝒒 =
[𝑪]𝒄 [𝑫]𝒅
[𝑨]𝒂 [𝑩]𝒃
Generalmente se utilizan los valores de las diferentes Keq (Ka, Kb, Kps), pero generalmente
no se determinan los valores de Keq en el laboratorio, debido a que el cálculo de las
concentraciones en el equilibrio no es fácil de cuantificar. Al trabajar con especies coloridas
y aplicar la ley de Lambert–Beer, este impedimento queda superado (Skoog et al., 2007)
Constante de un Indicador
Un indicador ácido-base es un compuesto orgánico que puede ser un ácido o una base débil,
cuyas formas protonada y no protonada tienen diferentes colores. Por ejemplo para el rojo
de metilo, su forma protonada o ácida (pH < 4.4) es roja y la no protonada o básica (pH >
6.2) es amarilla; a valores de pH intermedios se observará una solución anaranjada.
Por lo que la reacción sería:
HIn
roja
+ H2O
In- +
amarilla
H3 O+
Su constante de equilibrio a la que se denomina Kind será:
𝑲𝒊𝒏𝒅 =
[𝑰𝒏− ][𝑯𝟑 𝑶+ ]
[𝑯𝑰𝒏]
ecuación 1
(Harris 1992)
Una de las posibles aplicaciones del espectro UV-visible es encontrar los valores de Keq, en
este caso la Kind.
Para esto se requieren los siguientes pasos:
1. La concentración total del indicador se mantiene constante a lo largo del
experimento, a la cual nombraremos “cte”. Es decir:
[𝐻𝐼𝑛] + [𝐼𝑛− ] = 𝑐𝑡𝑒
(1)
2. Se obtienen los espectros de las formas ácida y básica con la misma concentración
(cte).
3. Escoger la longitud de onda (λ) a la que se tenga la mayor diferencia de de las
absortividades molares (εHIn y εIn-), todas las lecturas se hacen a esta λ.
4. Encontrar los valores de absorbancia (A) a esa λ para las concentraciones de cada
especie y de la mezcla, es decir a diferentes pH´s.
De acuerdo a la ley de Lambert-Beer, A = εbC (Donde A= absorbancia,
ε=absortividad molar, b= longitud de la celda, C= concentración molar), para este
indicador tendremos:
𝐴𝐻𝐼𝑛 = 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 [𝐻𝐼𝑛] despejando de (1) llegaremos a:
𝐴𝐻𝐼𝑛 = 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 (𝑐𝑡𝑒 − [𝐼𝑛− ] )
(2)
𝐴𝐼𝑛− = 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 [𝐼𝑛− ]
(3)
𝐴
(4)
= 𝐴𝐻𝐼𝑛 + 𝐴𝐼𝑛−
(en la solución de pH intermedio se encuentran las dos formas en equilibrio)
Sustituyendo (2) y (3) en (4) tendremos:
𝐴
= 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 (𝑐𝑡𝑒 – [𝐼𝑛− ] )
+ 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 [𝐼𝑛− ]
Quitando el paréntesis:
𝐴 = 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 𝑐𝑡𝑒 − 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 [𝐼𝑛− ]
+ 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 [𝐼𝑛− ]
(5)
si se multiplica y divide por el mismo el factor, la ecuación no se altera, en este caso el
factor será “cte” en el segundo y tercer término de la ecuación:
𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 𝑐𝑡𝑒 [𝐼𝑛− ]
𝑐𝑡𝑒
𝐴 = 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 𝑐𝑡𝑒 −
+
𝜀𝐼𝑛− 𝑏 𝑐𝑡𝑒 [𝐼𝑛− ]
𝑐𝑡𝑒
pero εHIn b cte es la absorbancia cuando todo el indicador se encuentra en la forma ácida
(AHInT), es decir a un pH bajo.
Al igual que εIn- b cte es la absorbancia cuando todo el indicador se encuentra en su
forma básica (AIn-T), es decir a un pH alto.
[𝐼𝑛− ]
[𝐼𝑛− ]
𝐴 = 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 − 𝜀𝐻𝐼𝑛 𝑏 𝑐𝑡𝑒 (
) + 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 𝑐𝑡𝑒 (
)
𝑐𝑡𝑒
𝑐𝑡𝑒
Re-arreglando la ecuación tendremos:
[𝐼𝑛− ]
[𝐼𝑛− ]
−
𝐴 = 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 − 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 (
) + 𝐴𝑯𝑰𝒏 𝑻 (
)
𝑐𝑡𝑒
𝑐𝑡𝑒
o bien:
𝐴 = 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 + (𝐴𝑯𝑰𝒏−𝑻 − 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 ) (
[𝐼𝑛− ]
)
𝑐𝑡𝑒
dejando a los términos independientes de un lado:
𝐴 − 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻
[𝐼𝑛− ]
= (𝐴𝑯𝑰𝒏−𝑻 − 𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 ) (
)
𝑐𝑡𝑒
despejando:
(
[𝐼𝑛− ]
𝑐𝑡𝑒
) = (𝐴
(𝐴−𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 )
𝑯𝑰𝒏− 𝑻 −𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 )
(6)
Si en lugar de poner (4) en término de In- lo hubiéramos puesto en términos de HIn,
usando 𝐴𝐼𝑛− = 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 [𝐼𝑛− ] = 𝜀𝐼𝑛− 𝑏 (𝑐𝑡𝑒 − [𝐻𝐼𝑛]) y siguiendo el procedimiento anterior,
llegaremos a:
(
[𝐻𝐼𝑛]
𝑐𝑡𝑒
(𝐴𝑰𝒏− 𝑻 −𝐴)
) = (𝐴
𝑰𝒏− 𝑻 −𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 )
(7)
Si dividimos (6) entre (7), llegaremos a:
𝐾𝑖𝑛𝑑 = [𝐻3 𝑂+ ] (𝐴
(𝐴−𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 )
𝑯𝑰𝒏− 𝑻 )−(𝐴𝑯𝑰𝒏𝑻 )
ecuación 2
Donde:
A es la absorbancia de la solución que contiene las dos especies
AHInT es la absorbancia de la solución donde el indicador se encuentra totalmente
protonado o en su forma ácida.
AIn-T es la absorbancia de la solución donde el indicador se encuentra totalmente no
protonado o en su forma básica.
[H3O+] se calcula a partir del pH de la solución que contiene las dos especies.
OBJETIVO
El alumno aplicará sus conocimientos de espectrofotometría y equilibrio químico en la
determinación de una constante de equilibrio, en este caso Kind de un indicador.
Asimismo establecer la importancia y utilidad de los métodos espectrofotométricos.
ACTIVIDADES
1. Investigue el concepto de punto isosbéstico (Harris 1992) y su aplicación en el
análisis cuantitativo.
2. Terminar de deducir la ecuación 2, con base a las absorbancias de las soluciones de
las especies ácida, básica y una que las contenga a las dos.
MATERIAL Y REACTIVOS
1
4
1
10
1
1
Gradilla
Celdas
Espectrofotómetro
tubos de ensaye
Potenciómetro
pipeta graduada de 10 mL
Papel seda
Rojo de metilo al 0.01%
Ácido acético 0.1M
Ácido clorhídrico 0.1M
Hidróxido de sodio 0.1M
Solución Buffer pH 7.0 y 4.0
PROCEDIMIENTO
1. Se preparan 3 soluciones con diferentes concentraciones de ácido y base las cuales
tendrán diferentes colores, para cuantificar los límites (totalmente disociado y
totalmente asociado del indicador).
Como blanco se prepara con agua destilada solamente.
Matraz No.
1
2
3
mL NaOH
2.50
3.00
0.00
mL CH3COOH
0.00
3.75
0.00
mL HCl
0.00
0.00
2.50
mL Indicador
0.50
0.50
0.50
Todos se aforan a 100 mL con agua destilada.
2. Calibrar el espectrofotómetro con el blanco.
3. Se tomarán las lecturas de absorbancia a longitudes de onda desde 400 a 600 nm de
las tres soluciones.
4. Calibrar el potenciómetro a dos puntos. Tomar el pH de cada una de las soluciones.
REPORTE DE LA PRÁCTICA
1. Trazar los espectros (en una sola gráfica) de las tres soluciones y encontrar el punto
isosbéstico.
2. Elegir la longitud de onda en donde exista la mayor diferencia en los valores de
absorbancia de las soluciones 1 y 3.
3. A esa longitud de onda sustituya los valores de absorbancia en la ecuación 2 y
determine el valor de la Kind
4. Comparar el valor obtenido experimentalmente con el valor reportado en la
literatura.
CUESTIONARIO
1. Explique por qué la especie In- presenta un espectro diferente al de HIn-.
2. ¿Qué experimentos propone para calcular alguna Keq, de sustancias no coloridas?
Fundamente su respuesta.
3. Para el anaranjado de metilo la longitud de onda a la que se presenta la mayor
diferencia de las absortividades es 520 nm. A esta longitud de onda se tomaron las
siguientes lecturas de absorbancia para una concentración fija de indicador total.
Para una solución a pH 2.0, solución amarilla la absorbancia es de 0.905.
Para una de pH =10, solución roja, A = 0.030.
Y para una de pH intermedio a pH 5.0, solución anaranjada, la absorbancia es de
0.435
4. Calcule la Kind para este indicador. La forma ácida de HA absorbe a 475nm
(absortividad molar = 3.4x104 M-1cm-1) mientras que la forma básica no absorbe a
esa longitud de onda. Una solución de 2.72x10-5 M del ácido, amortiguada a pH 3.9
tiene una absorbancia de 0.261 a una longitud de onda de 475nm. Calcule la Ka del
HA.
BIBLIOGRAFÍA
-Skoog Douglas A., West Donald M., Holler F. James, Crouch Stanley R. 2007
Fundamentos de Química Analítica. 8ª edición. Thomson Learning, México.
-Harris Daniel C. 1992 Análisis Químico Cuantitativo 1ª edición. Grupo Editorial
Iberoamérica