Fundamento teórico para laboratorio ácido base File

Laboratorio Ácido Base
Química I
Tecnólogo minero
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Objetivo
Comprender conceptos de equilibrio Ácido – Base y equilibrio de solubilidad con
el empleo de piedras calizas.
Determinación del pH mediante titulación de disoluciones problema con una
disolución patrón secundario de hidróxido de sodio (NaOH) previamente titulada por los
docentes, mediante tiras de pH y pHmétro.
Introducción
La acidez y la basicidad constituyen el conjunto de propiedades características de dos
importantes grupos de sustancias químicas: los ácidos y las bases. Las ideas actuales
+
sobre tales conceptos químicos consideran los ácidos como dadores de protones (H ) y
las bases como aceptores. Los procesos en los que interviene un ácido, interviene también
su base conjugada, que es la sustancia que recibe el protón cedido por el ácido. Tales
procesos se denominan reacciones ácido – base.
Antes de que se conociera el comportamiento a nivel molecular de este tipo de sustancias,
se reconocían por sus propiedades características. Esta idea de definir el concepto de
ácido y de base indicando cómo ha de comportarse químicamente una sustancia para que
pueda considerarse como miembro de una u otra familia de compuestos fue introducida
por Boyle en 1663. Posteriormente un conocimiento más preciso de las fórmulas químicas
llevó a algunos investigadores, como Justus von Liebig (1803-1873), a definir los ácidos
por su composición molecular; sin embargo, la vieja idea de Boyle, aunque transformada
con las sucesivas definiciones de ácidos y bases, sigue aún en pie.
Producto iónico del agua – pH
El agua aunque no es un compuesto iónico, presenta una notable polaridad y por ello se
+
disocia en iones, aunque en muy pequeña proporción. En agua pura existen iones H30 y
OH que proceden únicamente de su disociación iónica, que es el equilibrio ácido-base
más sencillo:
Resumidamente se expresa como:
+
-
Por la estequiometria de la reacción de disociación, se tiene que [H3O ] = [OH ]. Además,
esta reacción pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base ganando
+
protones para convertirse en H3O y, simultáneamente puede actuar como un ácido
cediendo protones a otra molécula de agua para convertirse en OH es decir, el agua es
una sustancia anfótera.
La constante de este equilibrio:
3
+
-
Kc [H2O] = [H ] [OH ] que es el producto iónico del agua y se representa por Kw. A 25°C Kw
-14
+
tiene un valor de 10 . Por tanto Kw = [H ] [OH ] entonces en agua pura:
+
-7
[H ] = [OH ] = 10 M.
En disoluciones diluidas el producto iónico del agua Kw es constante, por lo que un
+
aumento de [H ] supondrá una disminución del [OH ] y viceversa. Así, la presencia de un
+
ácido en disolución dará lugar a un aumento de la concentración de iones H , mientras
que la presencia de una base dará lugar a su disminución, lo que hará aumentar la
concentración de iones OH .
Siempre que tengamos el agua como disolvente, si la temperatura no varía, el producto
iónico debe mantenerse constante.
Sorensen introdujo en 1909 el concepto de pH con el objeto de simplificar el manejo de
concentraciones de protones. Así, definió pH como menos el logaritmo decimal de la
concentración de protones:
+
pH = - log [H ]
Paralelamente definió el concepto de pOH como menos el logaritmo decimal de la
concentración de hidroxilos
pOH = - log [OH ]
Para calificar las disoluciones atendiendo a esta relación se emplean los términos:
-
Neutra: [H+] = [OH-] = 10-7: pH = pOH = 7
-
Ácida: [H+] > [OH-]: pH < 7 - pOH > 7
-
Básica: [H+] < [OH-]: pH > 7 - pOH < 7
Si se quiere conocer de forma aproximada el pH de una disolución, se utiliza el indicador
universal, que es una mezcla en volúmenes iguales de rojo de metilo, timolftaleina,
fenolftaleína, α-nalftolftaleina y azul de bromotimol, que da un color rojo a pH = 4 pasando
a violeta a pH = 11.
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En este esquema se muestra el pH aproximado de algunas disoluciones de sustancias
comunes:
Piedra Caliza
La caliza es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de
calcio (CaCO3), generalmente calcita. También puede contener pequeñas cantidades de
minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc., que modifican (a veces
sensiblemente) el color y el grado de coherencia de la roca.
Es una roca importante como reservorio de petróleo, dada su gran porosidad. Tiene una
gran resistencia a la meteorización; esto ha permitido que muchas esculturas y edificios
de la antigüedad tallados en caliza hayan llegado hasta la actualidad. Sin embargo, la
acción del agua de lluvia y de los ríos (especialmente cuando se encuentra acidulada por
el ácido carbónico) provoca su disolución, creando un tipo de meteorización característica
denominada kárstica. No obstante es utilizada en la construcción de enrocamientos para
obras marítimas y portuarias como rompeolas, espigones, escolleras entre otras
estructuras de estabilización y protección.
El carbonato de calcio se disuelve con mucha facilidad en aguas que contienen gas
carbónico disuelto (CO2), debido a la alta solubilidad del bicarbonato cálcico, como
compuesto intermedio. Pero para el caso contrario, en entornos en los que aguas
cargadas de CO2 se liberan bruscamente a la atmósfera, se produce generalmente
la precipitación del carbonato de calcio en exceso, según la siguiente reacción:
Ca
2+
−
+ 2 (HCO3 ) → CaCO3 + H2O + CO2
Esa liberación de CO2 se produce, fundamentalmente, en dos tipos de entornos: en el
litoral cuando llegan a la superficie aguas cargadas de CO2 y, sobre los continentes,
cuando las aguas subterráneas alcanzan la superficie.
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Titulaciones
La titulación es un método para determinar la cantidad de una sustancia presente en
solución. Una solución de concentración conocida, llamada solución valorada, se agrega
con una bureta a la solución que se analiza. En el caso ideal, la adición se detiene cuando
se ha agregado la cantidad de reactivo determinada en función de un cambio de coloración
en el caso de utilizar un indicador interno, y especificada por la siguiente ecuación de
la titulación.
NA VA = NB VB
A este punto se le llama punto de equivalencia.
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
hidroxilos 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
Disoluciones patrón primario: tiene una concentración exactamente conocida de un
reactivo patrón primario.
Propiedades de los patrones primarios
• Composición conocida
• Pureza alta
• Estable a temperatura ambiente
• Debe ser estable a temperaturas altas para poder secarse en una estufa
• No debe absorber gases ni reaccionar con el aire
• Reaccionar rápidamente y estequiométricamente con el titulante
• Masa molecular elevada para minimizar errores en pesada
Disoluciones de patrones secundarios: Disoluciones que han sido tituladas mediante
un patrón primario. Una vez conocida la concentración se pueden utilizar para realizar
otras titulaciones.
Indicadores
Ácidos o bases débiles que al añadirse a una muestra sobre la que se desea realizar la
titulación cambia de color, indicando el fin de la titulación. Se elije el indicador según el pH
al cual se produzca el punto de equivalencia.
En la tabla se muestran indicadores de pH, sus pH de viraje y los colores correspondientes
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La fenolftaleína es el indicador de pH más utilizado para titulaciones ácido – base.
Material de vidrio,
definiciones y usos
Antes de ingresar al laboratorio colocarse túnica y lentes de seguridad. Recordar que
estos son elementos que van a prevenir accidentes.
Para la medida de volúmenes, se cuenta en el laboratorio con diferentes instrumentos
denominados genéricamente materiales volumétricos.
Los podemos sub-clasificar en elementos contenedores y elementos para transferir.
Dentro de los primeros tenemos vasos de Bohemia, matraces y probetas. Dentro de los
segundos pipetas y buretas. Para realizar medidas analíticas los instrumentos se clasifican
en función de su precisión. La medición de volumen se realiza con matraces aforados,
pipetas aforadas y buretas. Que un instrumento sea preciso implica que las medidas de
volumen realizadas con dicho instrumento tienen baja dispersión
entre ellas.
PROBETAS
Se utilizan para medir volúmenes cuando la precisión no debe ser
muy elevada. Su capacidad varía desde unos pocos mL hasta L.
PIPETAS
Se utilizan para trasvasar líquidos. Se clasifican en dos tipos,
pipetas graduadas y pipetas aforadas. Las primeras
carecen de precisión al igual que las probetas y poseen una
escala graduada. Mientras que las aforadas se utilizan para
transferir un único volumen de líquido,
medido con exactitud y precisión. En la de
la izquierda se muestran las pipetas
graduadas y en la de la derecha las
aforadas.
Las pipetas aforadas están está formada
por un bulbo y un vástago. La parte de la
pipeta en la que está el aforo (un aforo es
una marca circular grabada con precisión
sobre el vidrio (o material que
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corresponda) del material volumétrico para indicar que ese es el volumen determinado) es
lo suficientemente angosta para que cualquier variación en el volumen, produzca una
diferencia apreciable en la altura del nivel del líquido dentro de él y es mucho más angosta
que el cuerpo de la pipeta donde se encuentra la mayor parte del volumen.
Cuando se mide el volumen con una pipeta aforada, no es posible descargar todo el líquido
que se introdujo, siempre queda una pequeña cantidad en la punta que nunca debe
expulsarse pues la pipeta se calibra teniéndolo en cuenta.
Para cargar la pipeta se realiza por succión con una pera de goma como se verá en la
siguiente sección. Nunca realizarlo con la boca.
BURETA
Es un tubo de vidrio graduado, de diámetro interno uniforme,
con una llave o sistema similar, que permite dispensar
cantidades variables y exactas de líquido y por
lo tanto, presenta varias subdivisiones.
Después de la carga y antes de su uso se debe
tener la precaución de que no queden burbujas
en su interior como se verá en la siguiente
sección.
MATRAZ AFORADO
Están provistos de un cuello largo y un aforo que indica su
capacidad. Se utiliza para preparar disoluciones de
concentración conocida.
MATRAZ ERLENMEYER
Matraz de paredes inclinadas, su forma disminuye el riesgo de
salpicaduras. Su graduación es de volúmenes aproximados.
VASO DE BOHEMIA
Vaso de vidrio que se utiliza para realizar precipitaciones, contener valoraciones, etc.
Puede estar graduado pero su graduación es aproximada.
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Modo de uso de los materiales de vidrio
RECORDAR QUE EL VIDRIO CALIENTE TIENE EL MISMO ASPECTO QUE EL VIDRIO
FRIO.
Modo de uso de los materiales de vidrio
BURETA
Antes de llenar la buretas
Antes de realizar el llenado de la bureta, enjuáguela con una pequeña cantidad la solución
valorante de manera de arrastrar el agua y posibles contaminantes.
Llenado de buretas
El llenado de la bureta se realiza vertiendo el líquido desde la parte superior de la misma
una vez que se ha cerrado la llave o colocado la pinza de Mohr. Algunas buretas tienen
un embudo incorporado para facilitar su llenado, pero si es necesario se puede utilizar una
pipeta graduada.
Uno de los errores más comunes al usar una bureta consiste en no expulsar las burbujas
de aire que se forman con frecuencia bajo la llave. Cuando estas burbujas están presentes
al inicio de una valoración, pueden escapar mientras se vierte reactivo y provocar un error
en la determinación del volumen de líquido vertido de la bureta. Suele ser posible expulsar
la burbuja abriendo completamente la llave o la pinza de Mohr durante uno o dos
segundos. A veces, una burbuja muy persistente puede eliminarse tapando el pico de la
bureta, mientras se golpea o se comprime la goma con cuidado.
Enrase
La lectura del volumen ha de
realizarse de tal modo que los
ojos estén en un plano tangente
al menisco, como se