La valoració és la manera estàndard de respondre a una pregunta que no es pot respondre mirant: quant d'una substància dissolta hi ha present. S'afegeix una solució de concentració coneguda a un volum mesurat del desconegut, en quantitats petites i controlades, fins que se n'ha afegit exactament prou per consumir-la. El volum necessari es llegeix en una bureta, i com que l'equació ajustada fixa la proporció en què reaccionen les dues substàncies, aquest volum dóna directament la concentració desconeguda. Les plantes de tractament d'aigua, les lleteries, els cellers, els operadors de piscines i els laboratoris clínics fan valoracions diàriament, i la tècnica continua sent el mètode de referència amb el qual es calibren anàlisis instrumentals més ràpides.
La química subjacent és la neutralització. L'àcid clorhídric i l'hidròxid de sodi reaccionen a raó d'un mol a un mol, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), de manera que en el moment en què l'àcid es consumix exactament, la quantitat de base afegida equival a la quantitat d'àcid que hi havia. Aquest moment és el punt d'equivalència, i com que el clorur de sodi és la sal d'un àcid fort i una base forta, cap dels seus ions reacciona amb l'aigua i la solució a l'equivalència és exactament neutra, pH 7,00. El problema és veure-ho. S'hi afegix un indicador —ací blau de bromotimol, que és groc per davall de pH 6,0 i blau per damunt de pH 7,6— perquè la solució canvie de color a mesura que es traspassa el punt d'equivalència.
En aquest laboratori subjectareu una bureta de 50 mL a un suport, l'omplireu amb hidròxid de sodi 2,0 mol/L amb el menisc fixat a zero i sense cap bombolla a l'aixeta, pipetejaru 10 mL d'àcid clorhídric de concentració desconeguda en un matràs Erlenmeyer, i hi afegireu tres gotes de blau de bromotimol. A continuació, fareu lliscar la base gota a gota, barrejant-la després de cadascuna, fins que la solució groga viri. Comptar les gotes dóna el volum de base subministrat, i a partir d'aquest volum es dedueix la concentració de l'àcid en dues línies d'aritmètica. Aquesta és la primera valoració autèntica de la col·lecció: el laboratori 047, malgrat el seu títol, és una determinació de pH colorimètrica sense bureta i sense punt d'equivalència.
Objectius educatius
El principi de l'anàlisi volumètrica
- Una titulació mesura la concentració d'una dissolució desconeguda mitjançant la reacció amb una dissolució de concentració coneguda. El volum pot representar una quantitat de substància perquè, si es coneix la concentració (molaritat) de la dissolució, el volum utilitzat permet calcular directament el nombre de mols (o la quantitat química) mitjançant la relació estequiomètrica de la reacció.
- Distinguiu el punt d'equivalència, que està fixat per la química, del punt final, que és el que mostra l'indicador.
Estequiometria de la neutralització
- HCl + NaOH → NaCl + H₂O2O i reconeix la relació de mols 1:1 que imposa.
- Aplicar CaVa = CbVb per obtenir una concentració desconeguda, i explicar per què la relació només es compleix per a una reacció 1:1.
- Valora que la neutralitat significa quantitats iguals d'H3O+ i OH−, no volums iguals de les dues solucions.
Triar i llegir un indicador
- Justifica el bromotimol blau per a un àcid fort titulat amb una base forta, tenint en compte que el seu interval de transició de pH de 6,0 a 7,6 comprèn el pH d'equivalència de 7,00.
- Reconeix el primer verd persistent com a punt final, i un blau o turquesa estable com a prova que el punt final ha estat superat.
Tècnica de material de vidre volumètric
- Munta una bureta: subjecta-la en posició vertical, expulsa la bombolla d'aire del gruix de tancament i porta el menisc a zero, llegint una escala de bureta que baixa cap avall.
- Dispensa una al·licota definida amb una pipeta volumètrica i remena el flasc després de cada addició.
- Apropeu-vos al punt final gota a gota, i sapieu per què l'última gota és la que importa.
Gestió de dades i precisió
- Converteix un recompte de gotes en un volum i després en una quantitat de substància, fent un seguiment de les unitats a cada pas.
- Indiqueu el resultat amb el nombre de dígits significatius que la mesura pugui realment suportar.
- Explica per què s'agreguen les proves replicades.
Seguretat amb corrosius concentrats
- Manipular 2 mol/L d'hidròxid de sodi, que és més nociu per a l'ull que l'àcid que neutralitza, amb l'equip de protecció adequat.
- Elimineu els residus neutralitzats a la safata de recuperació i esbandiu la cristalleria amb aigua destil·lada.
Protocol
Volem determinar la concentració d'una solució d'àcid clorhídric (HCl).
Configuració
- Fixeu una pinça universal al suport.
- Connecteu la bureta de 50 mL al subjecció.
- Mesure 10 ml de la dissolució d'àcid clorhídric de concentració desconeguda utilitzant el comptagotes.
- Buidar la pipeta que conté àcid clorhídric dins de l'erlenmeyer.
- Afegiu 3 gotes de blau de bromotimol al matràs Erlenmeyer, utilitzant el comptagotes.
- Barreja la solució amb la vareta de vidre. Observa el color i estima el pH utilitzant l'escala colorimètrica.
- Esbandiu la vareta de vidre amb aigua destil·lada.
- Ompliu la bureta fins a la meitat amb la solució neutralitzant NaOH 2M.
- Col·loca un vas de precipitats de 50 ml sota la clau de la bureta.
- Atenció, no hi ha d'haver bombolles a la clau de pas. Per eliminar-les, deixi fluir una mica de NaOH 2M des de la bureta cap al vas de precipitats de 50 ml tocant la petita vàlvula vermella de la clau de pas.
- Buidar el vas de 50 ml a la safata de recuperació i tornar-lo a col·locar sota la bureta.
- Ompliu la bureta amb la dissolució neutralitzant NaOH 2M fins que el menisc de la bureta volumètrica estigui a zero. Atenció, la bureta està graduada en sentit invers a la d'un tub de mesura.
- Substitueix el vas de precipitats de 50 mL que hi ha sota la bureta aforada pel matràs Erlenmeyer de 100 mL que conté àcid clorhídric.
Titant de la solució
- Deixeu caure 1 gota (aproximadament 0,05 mL) de la solució neutralitzant (NaOH 2M) tocant la petita clau vermella de la clau de la bureta (la clau s'obre breument i es tanca automàticament després que la gota hagi caigut).
- Després de cada gota, barrejar la solució amb la vareta de vidre.
- Repetiu els passos 1 i 2 fins que el color de la solució passi del groc al primer verd persistent, que correspon a un pH neutre (7) per al blau de bromotimol. Una solució clarament blava o turquesa indica que s'ha sobrepassat el punt final.
- Quan la solució hagi assolit un pH neutre, esbandiu la vareta de vidre amb aigua destil·lada.
- El volum de la solució neutralitzant (NaOH 2M) afegit es registra a la taula de resultats.
- Es recomana repetir l'experiment 2 vegades per fer una mitjana dels resultats obtinguts.
- Calcular la quantitat de NaOH 2M que es va necessitar per neutralitzar una quantitat igual de HCl. La quantitat obtinguda, calculada per a 1 L de solució, serà la molaritat de la solució de HCl.
Nota: 1 gota = 0,05 mL, NaOH 2 moles/1000 mL = NaOH 0,0001 mole / 0,05 mL, i 1 mole de NaOH neutralitza 1 mole de HCl. El nombre de moles de NaOH utilitzades per neutralitzar 10 mL d'àcid clorhídric indicarà el nombre de moles de HCl trobades en 10 mL de solució. Per extrapolar la molaritat de la solució de HCl, heu de multiplicar per 100 (per tant, 10 mL * 100 = 1000 mL).
Resultats previstos
La reacció i què significa el punt final. La reacció de titàció és HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), o en tèrmics iònics simplement H3O+ + OH− → 2 H2Oh, ja que el sodi i el clorur són espectadors al llarg de tot el procés. La relació és d'un a un, de manera que a l'equivalència n(NaOH afegit) = n(HCl present). El clorur de sodi no s'hidrolitza — el clorur és la base conjugada d'un àcid fort i el sodi no és àcid — per tant la solució a l'equivalència és exactament neutra i el pH d'equivalència és 7,00. Això és poc habitual i convenient: per a un àcid feble seria per sobre de 7, i el blau de bromotimol seria llavors l'indicador equivocat.
La mesura. La gota és la unitat de volum en aquest laboratori. Una gota equival a 0,05 mL, de manera que cada gota d'hidroxid de sodi 2,0 mol/L subministra
n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10−3 L = 1,0 × 10−4 mol de NaOH per gota
El punt final s'assoleix al cap de 15 gotes. Això són 15 × 0,05 = 0,75 mL, que transporten 15 × 1,0 × 10−4 = 1.5 × 10−3 mol de base, que per la relació 1:1 ha d'haver neutralitzat 1,5 × 10−3 mol d'àcid. L'àcid ocupava 10,00 mL, per tant
C(HCl) = n / V = 1.5 × 10−3 mol / 0,0100 L = 0,15 mol/L
La mateixa resposta segueix en una línia des de CaVa = CbVb: Ca = (2,0 mol/L × 0,75 mL) / 10,0 mL = 0,15 mol/L. La via del protocol — multiplicar la quantitat trobada en 10 mL per 100 per arribar a un litre — és la mateixa aritmètica escrita d'una altra manera.
| Quantitat | Valor | D'on prové |
|---|---|---|
| Volum d'àcid pres | 10,00 mL | pipeta aforada |
| Titulant | NaOH 2,0 mol/L | reactiu de laboratori |
| Volum d'una gota | 0,05 mL | establert en el protocol |
| Quantitat de base per gota | 1.0 × 10−4 mol | 2.0 × 0.05 / 1000 |
| Caigudes al punt final | 15 | observat |
| Volum de base subministrat | 0,75 mL | 15 × 0.05 |
| Quantitat de base lliurada | 1.5 × 10−3 mol | 15 × 1.0 × 10−4 |
| Quantitat d'àcid neutralitzat | 1.5 × 10−3 mol | relació molar 1:1 |
| Concentració de l'àcid | 0,15 mol/L | 1.5 × 10−3 / 0.0100 |
| pH d'aquell àcid | 0.82 | −log(0,15) |
| pH del valorant 2,0 mol/L | ≈ 14,3 | 14 + log(2,0) |
El que fa la bota, gota a gota. El color de la solució està regit pel seu pH, i el pH està regit per quin dels dos reactius estigui en excés. Abans del punt d'equivalència queda àcid sobrer; després hi queda base sobrera; la transició és abrupta perquè un àcid fort i una base forta no deixen res per a tamponar la solució. La taula següent desenvolupa tot el plantejament, utilitzant la quantitat en excés dividida pel volum total a cada etapa.
| Gotes | NaOH afegit (mol) | Excés | Volum total (mL) | Concentració (mol/L) | pH | Color |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1.5 × 10−3 H3O+ | 10.00 | 0.150 | 0.82 | groc |
| 10 | 1.0 × 10−3 | 5.0 × 10−4 H3O+ | 10.50 | 0.0476 | 1.32 | groc |
| 14 | 1.4 × 10−3 | 1.0 × 10−4 H3O+ | 10.70 | 9.35 × 10−3 | 2.03 | groc |
| 15 | 1.5 × 10−3 | cap | 10.75 | 1.0 × 10−7 | 7.00 | cià |
Lectura de la bureta. Una bureta està graduada de dalt a baix, amb el zero a la part superior, perquè la quantitat que interessa és la que n'ha sortit en lloc del que hi queda. Per tant, la valoració és la lectura final menys la lectura inicial, i posar el menisc a zero abans de començar és més una comoditat que un requisit. La bombolla de l'aixeta importa pel mateix motiu: una bombolla expulsa durant la valoració compta com a volum subministrat quan no ha arribat mai al matràs, i això biaixa la valoració a l'alça i la concentració calculada amb ella.
Per què el blau de bromotimol i no un altre indicador. Un indicador és ell mateix un àcid feble de formes diferents en color, i canvia al llarg d'aproximadament dues unitats de pH centrades en el seu pKA. El blau de bromotimol té un pKA ≈ 7,1, raó per la qual la seva franja abraça la neutralitat; el laboratori 049 treballa l'aritmètica d'aquesta amplada de dues unitats. Per a aquesta valoració concreta, l'elecció és generosa més que no pas crítica: com que el pH varia d'aproximadament 4 a 10 en una fracció de gota en una valoració fort-fort dissenyada normalment, el vermell de metil o la fenolftaleïna donarien la mateixa titerulació. L'elecció esdevé crítica tan bon punt l'àcid és feble. En valorar l'àcid etanoic, l'objecte del laboratori 048, queda etanoat en solució a l'equivalència, el pH allà és d'aproximadament 8,7, i el blau de bromotimol indicaria el punt final massa d'hora mentre que la fenolftaleïna seria l'encertada.
On se situa això entre els altres laboratoris de pH. El laboratori 046 estableix quin és el pH i com es mesura. El 048 separa la concentració de la fortalesa comparant l'àcid etanoic amb l'àcid clorhídric a la mateixa concentració. El 049 tracta els equilibris d'indicadors i l'amplada d'una banda de transició. El 050 mostra que per a un àcid fort el pH és simplement el logaritme del factor de dilució. Aquest laboratori és on aquestes idees es converteixen en un mètode analític: per primera vegada el pH no és la resposta sinó el senyal, i la resposta és una concentració llegida en una bureta.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
Concentra't. Observació, vocabulari i procediment curós. El càlcul es subministra i l'estudiant hi omple els nombres.
- Munteu l'aparell correctament: bureta vertical i subjectada amb pinça, sense bombolla a l'aixeta, menisc a zero.
- Compta les gotes fins al canvi de color i converteix el compte en un volum utilitzant 1 gota = 0,05 mL.
- Descriviu la seqüència de colors i anomeneu l'indicador; indiqueu què significaran el groc, el verd i el blau.
- Completeu un càlcul subministrat per arribar a 0,15 mol/L.
- titració, titulant, bureta, alíquota, indicador, punt final, neutralització.
11è curs
Concentra't. El càlcul complet sense ajuda, i el significat del punt d'equivalència.
- Obteniu la concentració a partir dels principis bàsics: quantitat per gota, quantitat subministrada, quantitat d'àcid, concentració — sense que se us doni la via.
- Obteniu la mateixa resposta d'una segona manera utilitzant CaVa = CbVb, i expliqueu per què aquesta drecera només és vàlida per a una reacció 1:1.
- Calculeu el pH de l'àcid abans de la titulació i confirmeu 0,82, i el pH del titulant i confirmeu 14,3.
- Expliqueu per què el pH d'equivalència és exactament 7,00 per a aquest parell de reactius, i justification el blau de bromotimol sobre aquesta base.
- Calculeu el pH després de 14 i després de 16 gotes i expliqueu per què la transició és tan abrupta.
- Arrodoneix la resposta a la precisió que representa una gota.
12è curs / Nivell universitari
Concentra't. Disseny de mètodes, anàlisi d'errors i límits de la tècnica. S'espera que els estudiants critiquin el procediment en lloc d'executar-lo.
- Construïu la corba de valoració completa, pH en funció del volum de titulant, i identifiqueu-ne la inflexió; compareu-ne el pendent amb l'amplada de la banda de l'indicador.
- Demostreu quantitativament que un valorant de 2,0 mol/L limita el resultat a dues xifres significatives, i calculeu la millora que donaria un valorant de 0,10 mol/L.
- Redissenyeu la valoració per assolir un punt final entre 20 i 40 mL, i especifiqueu la concentració del valorant i el volum d'alíquota que ho aconsegueixen.
- Predigueu com canviarien la corba i el pH d'equivalència si l'analit fos àcid etanoic en lloc d'àcid clorhídric, i seleccioneu l'indicador adequat per a aquest cas.
- Discutiu la diferència entre el punt d'equivalència i el punt final com a font d'error sistemàtic en lloc d'aleatori, i estimeu-ne la mida aquí.
- Relacioneu el mètode amb els seus usos industrials i clínics —alcalinitat de l'aigua tractada, acidesa titulable en vi i llet, anàlisi de l'àcid gàstric— i expliqueu què fa que la titulació sigui un mètode de referència per calibrar tècniques instrumentals més ràpides.
Equipament de laboratori
Instruments
- Bureta (50 mL) amb aixeta
- Suport i pinça universal
- Pipeta aforada (10 mL)
- Matràs Erlenmeyer (100 mL)
- Vas de precipitats (50 mL), utilitzat per purgar l'aixeta
- Gotejador
- Barra de vidre
- escala de colors de pH
- Safata de recuperació
Productes
- Àcid clorhídric HCl, concentració desconeguda (alíquota de 10 mL; s'ha trobat que és 0,15 mol/L)
- Hidròxid de sodi NaOH 2,0 mol/L (valorant)
- Indicador de blau de bromotimol (3 gotes)
- Aigua destil·lada (esbandida)