La titulación es la forma estándar de responder a una pregunta que no se puede responder a simple vista: cuánto hay de una sustancia disuelta. Se añade una solución de concentración conocida a un volumen medido de la desconocida, en pequeñas cantidades controladas, hasta que se ha añadido exactamente la cantidad suficiente para consumirla. El volumen necesario se lee en una bureta y, debido a que la ecuación equilibrada fija la proporción en la que reaccionan las dos sustancias, ese volumen proporciona directamente la concentración desconocida. Las plantas de tratamiento de agua, las lecherías, las bodegas, los operarios de piscinas y los laboratorios clínicos realizan titulaciones diariamente, y la técnica sigue siendo el método de referencia con el que se calibran análisis instrumentales más rápidos.
La química subyacente es la neutralización. El ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio reaccionan en una proporción de un mol a un mol, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O sea, en el momento en que el ácido se consume exactamente, la cantidad de base añadida es igual a la cantidad de ácido que había. Ese momento es el punto de equivalencia y, debido a que el cloruro de sodio es la sal de un ácido fuerte y una base fuerte, ninguno de sus iones reacciona con el agua y la solución en el punto de equivalencia es exactamente neutra, pH 7.00. El problema es verlo. Se añade un indicador —aquí azul de bromotimol, que es amarillo por debajo de pH 6.0 y azul por encima de pH 7.6— para que la solución cambie de color a medida que se cruza el punto de equivalencia.
En este laboratorio sujetará con una pinza una bureta de 50 mL a un soporte, la llenará con hidróxido de sodio 2,0 mol/L con el menisco ajustado a cero y sin burbujas en la llave de paso, pipeteará 10 mL de ácido clorhídrico de concentración desconocida en un matraz Erlenmeyer y añadirá tres gotas de azul de bromotimol. A continuación, liberará la base gota a gota, mezclando después de cada una, hasta que la solución amarilla cambie. Contar las gotas proporciona el volumen de base suministrado, y a partir de ese volumen la concentración del ácido se deduce en dos líneas de aritmética. Esta es la primera titulación verdadera de la colección: el laboratorio 047, a pesar de su título, es una determinación de pH colorimétrica sin bureta y sin punto de equivalencia.
Objetivos Educativos
El principio del análisis volumétrico
- Una titulación mide la concentración de una solución desconocida haciendo reaccionar un volumen conocido de esta con una solución de concentración conocida (titulante). El volumen puede representar una cantidad de sustancia porque, bajo condiciones controladas, el volumen de una solución con una concentración molar conocida contiene un número proporcional y calculable de moles (cantidad de sustancia) según su estequiometría.
- Distinga el punto de equivalencia, que está determinado por la química, del punto final, que es lo que muestra el indicador.
Estequiometría de la neutralización
- HCl + NaOH → NaCl + H₂O2O y reconoce la relación molar 1:1 que impone.
- Aplicar CaVa = CbVb para hallar una concentración desconocida, y explicar por qué la relación solo se cumple en una reacción 1:1.
- Ten en cuenta que la neutralidad implica cantidades iguales de H3O+ y OH−, y no volúmenes iguales de las dos soluciones.
Elegir y leer un indicador
- Justifica el uso del azul de bromotimol para la titulación de un ácido fuerte con una base fuerte, teniendo en cuenta que su intervalo de transición, de pH 6,0 a 7,6, abarca el pH de equivalencia de 7,00.
- Considera que el primer color verde persistente indica el punto final, y que un color azul o turquesa estable es indicio de que se ha superado dicho punto final.
Técnica de material volumétrico de vidrio
- Montar una bureta: sujétela verticalmente, expulse la burbuja de aire de la llave de paso y lleve el menisco a cero, leyendo una escala de bureta que desciende.
- Entregue una alícuota definida con una pipeta volumétrica y mezcle el matraz después de cada adición.
- Acércate al punto final gota a gota, y ten claro por qué la última gota es la que realmente importa.
Tratamiento y precisión de los datos
- Convertir un recuento de gotas en un volumen y luego en una cantidad de sustancia, realizando un seguimiento de las unidades en cada paso.
- Expresa el resultado con el número de cifras significativas que la medición permita realmente.
- Los ensayos repetidos se promedian para reducir el impacto del error aleatorio, aumentar la precisión de los resultados y mejorar la fiabilidad general de los datos experimentales.
Seguridad con sustancias corrosivas concentradas
- Maneja el hidróxido de sodio a 2 mol/L, que es más nocivo para los ojos que el ácido que neutraliza, utilizando el equipo de protección adecuado.
- Deposita los residuos neutralizados en la bandeja de recogida y enjuaga la cristalería con agua destilada.
Protocolo
Queremos determinar la concentración de una solución de ácido clorhídrico (HCl).
Configuración
- Coloca una abrazadera universal al soporte.
- Acople la bureta volumétrica de 50 mL a la pinza.
- Mida 10 mL de la solución de ácido clorhídrico de concentración desconocida utilizando la pipeta.
- Vacía la pipeta que contiene ácido clorhídrico en el matraz Erlenmeyer.
- Añada 3 gotas de azul de bromotimol al matraz Erlenmeyer, usando el gotero.
- Mezclar la solución con la varilla de vidrio. Anotar el color y estimar el pH usando la escala colorimétrica.
- Enjuague la varilla de vidrio con agua destilada.
- Llena la bureta hasta la mitad con la solución neutralizante NaOH 2M.
- Coloca un vaso de precipitados de 50 ml debajo de la llave de la bureta.
- Precaución, no debe haber burbujas en la llave de paso. Para eliminarlas, deje fluir un poco de NaOH 2M desde la bureta hacia el vaso de precipitados de 50 mL tocando la pequeña válvula roja de la llave de paso.
- Vacía el vaso de precipitados de 50 mL en la bandeja de recuperación y vuelve a colocarlo debajo de la bureta.
- Complete el llenado de la bureta con la solución neutralizante NaOH 2M hasta que el menisco de la bureta volumétrica esté en cero. Precaución, la bureta está graduada en sentido contrario a la de un cilindro graduado.
- Reemplace el vaso de precipitados de 50 mL colocado debajo de la bureta volumétrica con el matraz Erlenmeyer de 100 mL que contiene ácido clorhídrico.
Valoración de la solución
- Deje que caiga 1 gota (aproximadamente 0.05 mL) de la solución neutralizante (NaOH 2M) tocando la pequeña llave roja de la llave de bureta (la llave se abre brevemente y se cierra automáticamente después de que la gota haya caído).
- Después de cada gota, mezcle la solución con la varilla de vidrio.
- Repita los pasos 1 y 2 hasta que el color de la disolución pase de amarillo al primer verde persistente, que corresponde a un pH neutro (7) para el azul de bromotimol. Una disolución claramente azul o turquesa indica que se ha sobrepasado el punto final.
- Cuando la solución alcance un pH neutro, enjuague la varilla de vidrio con agua destilada.
- El volumen de solución neutralizante (NaOH 2 M) añadido se registra en la tabla de resultados.
- Se recomienda repetir el experimento 2 veces para promediar los resultados obtenidos.
- Calcular la cantidad de NaOH 2M que se necesitó para neutralizar una cantidad igual de HCl. La cantidad obtenida, calculada para 1 L de solución, será la molaridad de la solución de HCl.
Nota: 1 gota = 0.05 mL, NaOH 2 moles/1000 mL = NaOH 0.0001 mole / 0.05 mL, y 1 mol de NaOH neutraliza 1 mol de HCl. El número de moles de NaOH empleados para neutralizar 10 mL de ácido clorhídrico indicará el número de moles de HCl presentes en 10 mL de solución. Para extrapolar la molaridad de la solución de HCl, se debe multiplicar por 100 (por lo tanto 10 mL * 100 = 1000 mL).
Resultados esperados
La reacción y el significado del punto final. La reacción de titulación es HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), o, en términos iónicos, simplemente H3O+ + OH− → 2 h2Ah, ya que el sodio y el cloruro son meros espectadores durante todo el proceso. La proporción es de uno a uno, por lo que en el punto de equivalencia n(NaOH añadido) = n(HCl presente). El cloruro de sodio no se hidroliza —el cloruro es la base conjugada de un ácido fuerte y el sodio no es ácido—, por lo que la solución en el punto de equivalencia es exactamente neutra y el pH de equivalencia es 7,00. Esto es inusual y conveniente: en el caso de un ácido débil, estaría por encima de 7, y el azul de bromotimol no sería entonces el indicador adecuado.
La medición. La gota es la unidad de volumen que se utiliza en este laboratorio. Una gota equivale a 0,05 ml, por lo que cada gota de hidróxido de sodio de 2,0 mol/l aporta
n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10−3 L = 1,0 × 10−4 mol de NaOH por gota
El punto final se alcanza tras 15 gotas. Es decir, 15 × 0,05 = 0,75 ml, lo que equivale a 15 × 1,0 × 10−4 = 1,5 × 10−3 mol de base, que, según la proporción de 1:1, debe de haber neutralizado 1,5 × 10−3 mol de ácido. El ácido ocupaba 10,00 ml, por lo que
C(HCl) = n / V = 1,5 × 10−3 mol / 0,0100 L = 0,15 mol/l
La misma respuesta sigue en una línea desde CaVa = CbVb: Ca = (2,0 mol/L × 0,75 mL) / 10,0 mL = 0,15 mol/L. La ruta del protocolo —multiplicar la cantidad encontrada en 10 mL por 100 para llegar a un litro— es la misma aritmética escrita de manera diferente.
| Cantidad | Valor | De dónde viene |
|---|---|---|
| Volumen de ácido tomado | 10,00 mL | pipeta volumétrica |
| titulante | NaOH 2,0 mol/L | reactivo de banco |
| Volumen de una gota | 0.05 mL | indicado en el protocolo |
| Cantidad de base por gota | 1.0 × 10−4 mol | 2.0 × 0.05 / 1000 |
| Peticiones al punto de acceso | 15 | observado |
| Volumen de base suministrado | 0,75 mL | 15 × 0.05 |
| Cantidad de base entregada | 1.5 × 10−3 mol | 15 × 1.0 × 10−4 |
| Cantidad de ácido neutralizado | 1.5 × 10−3 mol | relación molar de 1:1 |
| Concentración del ácido | 0,15 mol/l | 1.5 × 10−3 / 0.0100 |
| pH de ese ácido | 0.82 | -\log(0.15) |
| pH del valorador de 2,0 mol/L | ≈ 14,3 | 14 + log(2.0) |
Lo que hace el frasco, gota a gota. El color de la solución está determinado por su pH, y el pH está determinado por cuál de los dos reactivos está en exceso. Antes del punto de equivalencia hay ácido sobrante; después hay base sobrante; la transición es abrupta porque un ácido fuerte y una base fuerte no dejan nada para amortiguar la solución. La tabla a continuación detalla todo el proceso, utilizando la cantidad en exceso dividida por el volumen total en cada etapa.
| Gotas | NaOH añadido (mol) | Exceso | Volumen total (mL) | Concentración (mol/L) | pH | Color |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1.5 × 10−3 H3O+ | 10.00 | 0.150 | 0.82 | amarillo |
| 10 | 1.0 × 10−3 | 5.0 × 10−4 H3O+ | 10.50 | 0.0476 | 1.32 | amarillo |
| 14 | 1.4 × 10−3 | 1.0 × 10−4 H3O+ | 10.70 | 9.35 × 10−3 | 2.03 | amarillo |
| 15 | 1.5 × 10−3 | ninguno | 10.75 | 1.0 × 10−7 | 7.00 | cian |
Lectura de la bureta. Una bureta está graduada hacia abajo, con el cero en la parte superior, porque la cantidad de interés es la que ha salido de ella en lugar de la que queda. Por lo tanto, la valoración es la lectura final menos la lectura inicial, y ajustar el menisco a cero antes de empezar es una comodidad más que un requisito. La burbuja en la llave de paso importa por la misma razón: una burbuja expulsada durante la valoración se cuenta como volumen suministrado cuando nunca llegó al matraz, lo que sesga la valoración al alza y, con ella, la concentración calculada.
¿Por qué azul de bromotimol y no otro indicador?. Un indicador es en sí mismo un ácido débil cuyas dos formas difieren en color, y cambia en aproximadamente dos unidades de pH centradas en su pK.En. El azul de bromitimol tiene pKEn ≈ 7.1, razón por la cual su zona de viraje abarca la neutralidad; el laboratorio 049 trabaja mediante la aritmética detrás de esa amplitud de dos unidades. Para esta titulación en particular, la elección es flexible más que crítica: dado que el pH varía desde aproximadamente 4 hasta aproximadamente 10 en una fracción de gota en una titulación ácido fuerte-base fuerte diseñada normalmente, el rojo de metila o la fenolftaleína darían el mismo título. La elección se vuelve crítica tan pronto como el ácido es débil. Al titular ácido etanoico, el tema del laboratorio 048, queda etanoato en solución en el punto de equivalencia, el pH allí es de aproximadamente 8.7, y el azul de bromotimol indicaría el punto final prematuramente, mientras que la fenolftaleína sería la correcta.
Dónde se ubica esto entre los demás laboratorios de pH. El laboratorio 046 establece qué es el pH y cómo se mide. El 048 separa la concentración de la fuerza comparando el ácido etanoico con el ácido clorhídrico a la misma concentración. El 049 abarca los equilibrios de los indicadores y la anchura de una banda de transición. El 050 muestra que para un ácido fuerte el pH es simplemente el logaritmo del factor de dilución. Este laboratorio es donde esas ideas se convierten en un método analítico: por primera vez el pH no es la respuesta sino la señal, y la respuesta es una concentración leída en una bureta.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
Concentración. Observación, vocabulario y procedimiento cuidadoso. El cálculo se proporciona y el estudiante completa los números.
- Monta el aparato correctamente: bureta vertical y sujeta con pinza, sin burbujas en la llave de paso, menisco en cero.
- Cuenta las gotas hasta el cambio de color y convierte la cuenta en un volumen usando 1 gota = 0.05 mL.
- Describe la secuencia de colores y nombra el indicador; indica qué significan el amarillo, el verde y el azul.
- Complete un cálculo suministrado para llegar a 0,15 mol/L.
- Vocabulario que se debe utilizar correctamente al final: titulación, valorante, bureta, alícuota, indicador, punto final, neutralización.
Undécimo grado
Concentración. El cálculo completo sin ayuda y el significado del punto de equivalencia.
- Deriva la concentración a partir de los primeros principios: cantidad por gota, cantidad administrada, cantidad de ácido, concentración, sin que se te proporcione la vía.
- Obtén la misma respuesta de otra forma utilizando CaVa = CbVb, y di por qué ese atajo solo es válido para una reacción 1:1.
- Calcula el pH del ácido antes de la titulación y comprueba que sea 0,82, y el pH del titulante y comprueba que sea 14,3.
- Explica por qué el pH de equivalencia es exactamente 7,00 para este par de reactivos y justifica el uso del azul de bromotimol basándote en ello.
- Calcula el pH tras añadir 14 y tras añadir 16 gotas, y explica por qué el cambio es tan brusco.
- Redondea la respuesta con la precisión que representa una gota.
12.º curso / Nivel universitario
Concentración. Diseño del método, análisis de errores y límites de la técnica. Se espera que los alumnos analicen críticamente el procedimiento, en lugar de limitarse a ejecutarlo.
- Traza la curva de titulación completa (pH en función del volumen de titulante) e identifica el punto de inflexión; compara su pendiente con la anchura de la banda del indicador.
- Demuestra cuantitativamente que un titulante de 2,0 mol/L limita el resultado a dos cifras significativas, y calcula la mejora que supondría utilizar un titulante de 0,10 mol/L.
- Rediseñe la titulación para alcanzar un punto final entre 20 y 40 mL, y especifique la concentración del titulante y el volumen de alícuota que lo logran.
- Predice cómo cambiarían la curva y el pH de equivalencia si el analito fuera ácido etanoico en lugar de ácido clorhídrico, y selecciona el indicador adecuado para ese caso.
- Analice la diferencia entre el punto de equivalencia y el punto final como fuente de error sistemático en lugar de aleatorio, y estime su magnitud aquí.
- Explica la aplicación de este método en el ámbito industrial y clínico —alcalinidad del agua tratada, acidez titulable en el vino y la leche, análisis del ácido gástrico— y explica por qué la titulación es un método de referencia para calibrar técnicas instrumentales más rápidas.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Bureta (50 ml) con grifo
- Abrazadera y soporte universales
- Pipeta volumétrica (10 ml)
- Matraz Erlenmeyer (100 mL)
- Vaso de precipitados (50 mL), utilizado para purgar la llave de paso
- Gotero
- Varilla de vidrio
- Escala de colores del pH (tabla de referencia)
- Bandeja de recuperación
Productos
- Ácido clorhídrico HCl, concentración desconocida (aliquot de 10 ml; se determinó que era de 0,15 mol/l)
- Hidróxido de sodio NaOH 2,0 mol/L (titulante)
- Indicador de azul de bromotimol (3 gotas)
- Agua destilada (enjuague)