050 – Conductividad y pH

Clasificar un líquido desconocido en ácido, base o sal es lo primero que hace un analista con él, y las tres pruebas utilizadas aquí son las más antiguas del oficio. Un par de papeles tornasol casi no cuestan nada y responden a la pregunta en segundos. Una bombilla conectada en serie con dos electrodos sumergidos en el líquido muestra si este conduce iones o no. Una tira de magnesio hace efervescencia en el ácido y permanece inerte en todo lo demás. Entre todas, estas pruebas separan una sal de un ácido y de una base sin una sola lectura instrumental, razón por la cual perduran tanto en los kits de campo para la calidad del agua como en los laboratorios escolares.

Lo que responden las tres pruebas es diferente en cada caso, y ese es el propósito de realizar las tres. El tornasol es un tinte cuyo color depende del pH, por lo que informa sobre la concentración de hidronio. La bombilla responde a los iones móviles, y cada compuesto iónico soluble los proporciona, ya sea ácido, básico o neutro; por lo que la conductividad separa las soluciones iónicas de las moleculares, no los ácidos de las bases. El magnesio responde únicamente al ion hidronio, al oxidarse a Mg²⁺ mientras H₃O⁺ se reduce a hidrógeno gaseoso. Tres pruebas, tres preguntas diferentes; solo su combinación identifica una solución.

En este laboratorio, realizará las tres pruebas en cloruro de sodio 0,1 mol/L, ácido clorhídrico e hidróxido de sodio, registrando la conductividad, ambos colores del papel tornasol, la lectura del papel indicador de pH y el resultado con magnesio para cada uno. Luego preparará cuatro diluciones de ácido clorhídrico 1 mol/L — 10 mL aforados a 30 mL, a 60 mL y a 100 mL, y 1 mL aforado a 100 mL — y medirá el pH de las cinco soluciones ácidas con un pH-metro. La segunda parte convierte la escala de pH aproximada de la primera parte en una cuantitativa, y muestra que el pH de un ácido fuerte no es más que el logaritmo de qué tanto se ha diluido.

Objetivos Educativos

Clasificación de una solución a partir de evidencias

• Clasificar una solución desconocida en ácido, base o sal neutra utilizando la evidencia combinada de papel tornasol, papel pH, conductividad y reacción con magnesio.
• Explica cuál de las cuatro pruebas discrimina realmente entre las tres clases y cuál no, y por qué.

Manejo de los instrumentos

• Utilice un detector de conductividad eléctrica y enjuague y seque los electrodos entre las soluciones para que ni un rastro del líquido anterior pueda encender la bombilla.
• Lea un papel indicador de pH frente a su escala de colores y un pHmetro desde su pantalla, e indique cuál de los dos es más preciso y por cuánto.

Papel de tornasol y papel pH como indicadores

• Describe el tornasol como un colorante con un intervalo de transición de aproximadamente pH 4,5 a 8,3, y explica por qué el hecho de que dos tiras de papel no cambien de color se considera un resultado positivo y no un fallo en la prueba.
• Distinga un papel de un solo colorante, que proporciona un intervalo, de un papel universal, que ofrece un valor aproximado.

Conductividad e iones disueltos

• Explica la conducción en solución como la migración de iones y justifica el hecho de que las tres soluciones de 0,1 mol/L enciendan la bombilla.
• Prediga cuál de los tres conduciría mejor si el detector informara un número en lugar de encender una bombilla, y justifique la predicción a partir de las movilidades iónicas.

La dilución y la escala logarítmica de pH

• Calcula la concentración de una solución tras la dilución, en mol/L y en g/L, y prepárala correctamente con un cilindro graduado.
• Demuestre que para un ácido monoprótico fuerte el aumento del pH es igual al logaritmo en base diez del factor de dilución, y utilícelo para predecir un pH antes de medirlo.

Seguridad y eliminación

• Manipula el ácido clorhídrico de 1 mol/L y el hidróxido de sodio de 0,1 mol/L con guantes y protección ocular, y ten en cuenta cuál de los dos provoca lesiones oculares más graves.
• Recoja el hidrógeno desprendido del magnesio lejos de cualquier llama y deseche todas las soluciones en el recipiente de recuperación.

Protocolo

Parte A: Las propiedades de los ácidos, las bases y las sales

1. Enciende el detector de conductividad eléctrica (DCE).
2. Vierta 10 mL de la solución de NaCl 0.1M en el vaso de precipitados A.
3. Limpie los electrodos de la ECD con agua destilada y frótelos con papel absorbente.
4. Sumerja los electrodos en la solución A. Observe si la bombilla se enciende o no y anote el resultado en la tabla de resultados.
5. Repite los pasos 2 a 4 con las soluciones de HCl 0.1M y NaOH 0.1M, con los vasos de precipitado B y C.
6. Sumerja un trozo de papel de tornasol azul y un trozo de papel de tornasol rojo en la solución A. Registre los colores obtenidos en la tabla de resultados.
7. Sumerge un trozo de papel de pH en la solución A y evalúa el pH utilizando la escala de colores. Registra el pH en la tabla de resultados.
8. Repite los pasos 6 y 7 con las soluciones B y C.
9. Coloque una cinta de magnesio en la solución A y registre las observaciones en la tabla de resultados.
10. Repite el paso 9 con las soluciones B y C

Parte B: La concentración de una solución ácida y su pH

1. Vierta 10 mL de solución de HCl 1M en la probeta graduada de 100 mL.
2. Agregue agua destilada hasta la marca de 30 mL.
3. Vierta el contenido del cilindro en el vaso de precipitados de 100 mL identificado con el número 1.
4. Vierta 10 mL de solución de HCl 1M en la probeta graduada de 100 mL.
5. Añada agua destilada hasta la marca de 60 mL.
6. Vierte el contenido del cilindro en el vaso de precipitados de 100 ml identificado con el número 2.
7. Vierta 10 mL de solución de HCl 1M en la probeta graduada de 100 mL.
8. Añada agua destilada hasta la marca de 100 mL.
9. Vierta el contenido del cilindro en el vaso de precipitados de 100 mL identificado con el número 3.
10. Vierta 1 mL de solución de HCl 1M en la probeta graduada de 10 mL. Luego vierta la solución en la probeta graduada de 100 mL.
11. Añada agua destilada hasta la marca de 100 mL.
12. Vierte el contenido del cilindro en el vaso de precipitados de 100 ml identificado con el número 4.
13. Mida el pH de la solución de HCl 1M y el de las soluciones 1 a 4 utilizando el pH-metro. Registre los resultados en la tabla de resultados.
14. No olvide enjuagar el pHmetro con agua destilada y secarlo con papel, entre mediciones.

Resultados esperados

Parte A — Las propiedades de los ácidos, bases y sales. Las tres soluciones son de 0.1 mol/L y las tres son electrolitos fuertes, por lo que las tres encienden la bombilla. Lo que las separa es el tornasol, el papel indicador de pH y el magnesio.

Por qué la sal no altera ninguno de los dos papeles. El tornasol cambia de color aproximadamente entre pH 4.5 y 8.3, por lo que solo puede indicar “por debajo de 4.5” o “por encima de 8.3”. El cloruro de sodio se disuelve en Na⁺ y Cl⁻, los conjugados de una base fuerte y un ácido fuerte, respectivamente, y ninguno de ellos toma un protón del agua ni le cede uno. Por lo tanto, la solución se mantiene a un pH de 7, ambos papeles conservan su color original, y esa ausencia de reacciones constituye la identificación positiva de una sal neutra.

¿Por qué los tres actúan así?. La conducción requiere iones libres para migrar, y cada uno de los tres compuestos está disociado por completo a 0,1 mol/L, lo que da 0,2 mol/L de iones en cada vaso de precipitados. Por lo tanto, la bombilla se enciende en los tres, y un estudiante que espera que solo el ácido conduzca ha confundido “iónico” con “ácido”. Sin embargo, los tres no son igualmente buenos conductores, y este es el único aspecto en el que la bombilla oculta algo interesante.

¿Por qué solo el ácido ataca al magnesio?. El magnesio se oxida y el hidronio se reduce: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, o en la forma en que se suele escribir: Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. La fuerza motriz es grande: E° para el Mg²⁺El Mg es de −2,37 V frente a 0,00 V del par de hidrógeno, por lo que el potencial de la celda es de +2,37 V y la reacción es lo suficientemente rápida como para verse como una corriente de burbujas. En la solución salina no hay ningún agente oxidante más fuerte que el agua, y en el hidróxido de sodio el metal está protegido por una película adherente de Mg(OH)₂ insoluble.₂; en ambos casos se observa que no se produce reacción alguna. Las burbujas del vaso de precipitados B son de hidrógeno, y son el único gas que se produce en todo este laboratorio.

Parte B: concentración y pH. Se preparan cuatro diluciones a partir de la misma solución madre de 1 mol/L, cuya concentración másica es de 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L. Cada dilución cumple la relación C_dV_d = C_nV_n, así que C_n = C_dV_d/V_n. Para la solución 1, C₁ = 36,5 g/l × 10 ml / 30 ml = 12,2 g/l, y con la misma sustitución se obtienen el resto de los resultados.

El pH de un ácido fuerte es el logaritmo de su dilución. El ácido clorhídrico se ioniza por completo, por lo que [H₃O⁺] es igual a la concentración preparada y pH = −log C. Dividiendo la concentración por un factor f por lo tanto, aumenta el pH en log f, y nada más. Esa única afirmación explica cada fila de la tabla: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 y log 100 = 2,00, que son los cuatro valores de pH sin ningún cálculo adicional. También explica por qué los pasos de esta serie son desiguales mientras que los de la práctica 048 son todos iguales; aquí los factores de dilución son 3, 6, 10 y 100, no un diez constante.

Leyendo la escala al revés. Debido a que la escala es logarítmica, una unidad de pH es un factor de diez en [H₃O⁺]: la solución 4 a pH 2.00 tiene la centésima parte de la concentración de hidronio de la solución madre a pH 0.00, y la décima parte de la de la solución 3. Yendo en sentido contrario, [H₃O⁺] = 10^-pH, por lo que una lectura de 0,78 corresponde a 10^−0,78 = 0,166 mol/L, lo que recupera la concentración de la solución 2 a tres cifras significativas. Poder realizar el cálculo en ambas direcciones es lo que hace que el pH-metro sea una medida de concentración en lugar de una comparación de colores.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Enfoque: ejecutando cuatro pruebas cuidadosamente y describiendo lo que muestra cada una.

Actividades complete la tabla de la Parte A para las tres soluciones a partir de la observación directa; indique qué solución es el ácido, cuál es la base y cuál es la sal, y nombre la única prueba que determinó cada una; explique por qué se encendió la bombilla para las tres; escriba la ecuación en palabras para la reacción del magnesio con el ácido clorhídrico y nombre el gas; prepare las cuatro diluciones y coloque las cinco lecturas de pH en orden, teniendo en cuenta que cuanto más diluido esté el ácido, mayor será el pH.

Undécimo grado

Enfoque: la aritmética de la dilución y de una escala logarítmica.

Actividades calcular la concentración de cada una de las cuatro diluciones a partir de C_dV_d = C_nV_n, tanto en mol/L como en g/L, mostrando la sustitución; predice cada pH como −log C antes de medirlo y compáralo con el medidor; convierte cada pH medido nuevamente a una concentración de hidronio; demuestra que el aumento de pH es igual al logaritmo del factor de dilución para las cuatro soluciones; iguala la reacción del magnesio y calcula el volumen de hidrógeno que daría una cinta de 0,10 g a temperatura y presión ambiente.

12.º curso / Nivel universitario

Enfoque: el mecanismo, la precisión y los límites de cada método.

Actividades explicación de la conductividad molar anormalmente alta del hidrógeno₃O⁺ y OH⁻ en lo que respecta a la transferencia de protones entre moléculas de agua, y predecir la relación entre las conductividades de las tres soluciones; explicar cuantitativamente el pH de la solución de cloruro de sodio utilizando K_w y la ausencia de hidrólisis; calcular el coeficiente de actividad necesario para conciliar un pH medido de 0,1 con una solución madre de 1 mol/L y comentar la dirección de la desviación; identificar las dos lecturas del medidor que no concuerdan con −log C y cuantificar la discrepancia; proponer un control que haga que el ensayo de conductividad sea discriminatorio y predecir su resultado; analizar por qué el tornasol, el papel de pH y el electrodo de vidrio difieren en precisión en aproximadamente un orden de magnitud en cada paso.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Detector de conductividad eléctrica (ECD), con bombilla y electrodos
• Medidor de pH
• Pinzas
• Papel absorbente
• Probeta graduada (100 mL)
• Probeta graduada (10 mL)
• Vasos de precipitados de 50 mL (3, etiquetados A, B y C)
• Vasos de precipitados de 100 mL (4, numerados del 1 al 4)
• Vasos de precipitados para soluciones madre (4, en la mesa de reactivos)
• Papel tornasol azul y rojo
• Tiras de pH universal con escala de color
• Papelera de reciclaje

Productos

• NaCl 0,1 mol/L (solución)
• HCl 0,1 mol/L (solución)
• NaOH 0,1 mol/L (solución)
• HCl 1,0 mol/L (solución, 36,5 g/L)
• Cintas de magnesio
• Agua destilada