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 sustancia desconocida, en pequeñas cantidades controladas, hasta que se haya añadido exactamente la cantidad suficiente para consumirla. El volumen necesario se lee en una bureta y, debido a que la ecuación balanceada fija la proporción en la que reaccionan ambas sustancias, ese volumen proporciona directamente la concentración desconocida. Las plantas de tratamiento de agua, las lecherías, las vinícolas, los operadores de piscinas y los laboratorios clínicos realizan titulaciones todos los días, 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 uno a uno en moles, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O sea, en el momento en que el ácido se consume por completo, la cantidad de base agregada es igual a la cantidad de ácido que había allí. 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, con un pH de 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. Luego liberará la base gota a gota, mezclando después de cada una, hasta que la solución amarilla vire de color. Contar las gotas proporciona el volumen de base suministrado, y a partir de ese volumen se deduce la concentración del ácido en dos líneas de operaciones aritméticas. 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.
Metas educativas
El principio del análisis volumétrico
- Una titulación mide la concentración de una solución desconocida mediante la reacción completa con una solución de concentración conocida. Un volumen puede representar una cantidad de sustancia porque, en una solución con una concentración molar constante (molaridad), la cantidad de sustancia (en moles) es directamente proporcional al volumen del líquido utilizado.
- Distinga el punto de equivalencia, que está determinado por la química, del punto final, que es lo que muestra el indicador.
Estequiometría de neutralización
- HCl + NaOH → NaCl + H₂O2Y reconoce la relación molar de 1:1 que impone.
- Aplicar CaVa = CbVb para obtener una concentración desconocida, y explicar por qué la relación se cumple únicamente para una reacción 1:1.
- Agradezca que la neutralidad significa cantidades iguales de H3O+ y OH−, volúmenes desiguales de las dos soluciones.
Elección y lectura de un indicador
- Justifique el azul de bromotimol para un ácido fuerte titulado con una base fuerte, dado que su intervalo de viraje de pH de 6.0 a 7.6 abarca el pH de equivalencia de 7.00.
- Reconoce el primer verde persistente como el punto final, y un azul o turquesa asentado como evidencia de que se pasó el punto final.
Técnica de material volumétrico
- Monte 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.
- Acérquese al punto final una gota a la vez, y sepa por qué la última gota es la que importa.
Manejo de datos y precisión
- Convertir un conteo 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 realmente admita.
- Las pruebas replicadas se promedian para reducir el error experimental y minimizar el impacto de los valores atípicos y la variabilidad aleatoria, lo que proporciona una estimación más precisa y confiable del verdadero resultado.
Seguridad con sustancias corrosivas concentradas
- Maneje hidróxido de sodio 2 mol/L, que es más dañino para el ojo que el ácido que neutraliza, con el equipo de protección correcto.
- Deseche los residuos neutralizados en la bandeja de recuperación y enjuague el material de vidrio con agua destilada.
Protocolo
Queremos determinar la concentración de una solución de ácido clorhídrico (HCl).
Configuración
- Acople una pinza universal al soporte.
- Sujete la bureta volumétrica de 50 mL a la pinza.
- Mida 10 mL de solución de ácido clorhídrico de concentración desconocida usando la pipeta.
- Vacíe la pipeta que contiene ácido clorhídrico en el matraz Erlenmeyer.
- Agregue 3 gotas de azul de bromotimol en el matraz Erlenmeyer, usando el gotero.
- Mezcle la solución usando la varilla de vidrio. Anote el color y estime el pH utilizando la escala colorimétrica.
- Enjuague la varilla de vidrio con agua destilada.
- Llene la bureta hasta la mitad con solución neutralizante de NaOH 2M.
- Coloque 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.
- Vacíe el vaso de precipitados de 50 mL en la bandeja de recuperación y vuelva a colocarlo bajo la bureta.
- Termine de llenar la bureta con la solución neutralizadora de NaOH 2M hasta que el menisco de la bureta volumétrica esté en cero. Precaución, la bureta está graduada en dirección opuesta a la de una probeta graduada.
- Reemplace el vaso de precipitados de 50 mL colocado bajo la bureta volumétrica con el matraz Erlenmeyer de 100 mL que contiene ácido clorhídrico.
Valoración de la solución
- Deje fluir 1 gota (alrededor de 0,05 mL) de solución neutralizante (NaOH 2M) tocando la pequeña válvula roja de la llave de paso de la bureta (la válvula se abre brevemente y se cierra automáticamente después de que haya fluido la gota).
- Después de cada gota, mezcle la solución usando la varilla de vidrio.
- Repita los pasos 1 y 2 hasta que el color de la solución cambie de amarillo al primer verde persistente, lo que corresponde a un pH neutro (7) para el azul de bromotimol. Una solución claramente azul o turquesa significa que se ha pasado el punto final.
- Cuando la solución haya alcanzado un pH neutro, enjuague la varilla de vidrio con agua destilada.
- El volumen de solución neutralizante (NaOH 2M) agregado se registra en la tabla de resultados.
- Se recomienda repetir el experimento 2 veces para promediar los resultados obtenidos.
- Calcule 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 mol / 0.05 mL, y 1 mol de NaOH neutraliza 1 mol de HCl. El número de moles de NaOH utilizado para neutralizar 10 mL de ácido clorhídrico indicará el número de moles de HCl que se encuentran en 10 mL de solución. Para extrapolar la molaridad de la solución de HCl, debe multiplicar por 100 (por lo tanto, 10 mL * 100 = 1000 mL).
Resultados esperados
La reacción y lo que significa el punto final. La reacción de titulación es HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), o en términos iónicos simplemente H3O+ + OH− → 2 H2O bien, dado que el sodio y el cloruro son espectadores en todo momento. La proporción es uno a uno, por lo que en el punto de equivalencia $n(\text{NaOH añadido}) = n(\text{HCl presente})$. 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 la equivalencia es exactamente neutra y el pH de equivalencia es 7.00. Eso es inusual y conveniente: para un ácido débil estaría por encima de 7, y el azul de bromotimol sería entonces el indicador incorrecto.
La medida. La gota es la unidad de volumen en este laboratorio. Una gota es de 0.05 mL, por lo que cada gota de hidróxido de sodio 2.0 mol/L suministra
n = C × V = 2.0 mol/L × 0.05 × 10−3 L = 1.0 × 10−4 moles de NaOH por gota
El punto final se alcanza después de 15 gotas. Eso es 15 × 0.05 = 0.75 mL, que transporta 15 × 1.0 × 10−4 = 1.5 × 10−3 mol de base, que por la proporción 1:1 debe haber neutralizado 1.5 × 10−3 mol de ácido. El ácido ocupó 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 otra manera.
| Cantidad | Valor | De dónde viene |
|---|---|---|
| Volumen de ácido tomado | 10.00 mL | pipeta volumétrica |
| Valorante | NaOH 2,0 mol/L | reactivo de laboratorio |
| 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 |
| Se conecta al punto de conexión | 15 | observado |
| Volumen de base suministrada | 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 titulante 2.0 mol/L | ≈ 14.3 | 14 + log(2.0) |
Lo que hace el matraz, 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; el cruce es abrupto porque un ácido fuerte y una base fuerte no dejan nada para amortiguar la solución. La tabla siguiente calcula todo el enfoque, utilizando la cantidad en exceso dividida por el volumen total en cada etapa.
| Gotas | NaOH agregado (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 que interesa es lo que ha salido de ella en lugar de lo 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 entregado cuando nunca llegó al matraz, y esto 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 pKEn. El azul de bromotimol tiene un pKEn ≈ 7.1, razón por la cual su intervalo 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 crucial: debido a que el pH varía desde aproximadamente 4 hasta aproximadamente 10 en una fracción de gota en una titulación ácido-base fuerte típica, el rojo de metila o la fenolftaleína darían el mismo título. La elección se vuelve crucial tan pronto como el ácido es débil. Al titular ácido etanoico, el tema del laboratorio 048, queda etanoato en solución en la equivalencia, el pH allí es de aproximadamente 8.7, y el azul de bromotimol indicaría el punto final de manera prematura mientras que la fenolftaleína sería la correcta.
Dónde se ubica esto entre los otros laboratorios de pH. El laboratorio 046 establece qué es el pH y cómo se mide. El 048 separa la concentración de la fuerza al comparar 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 tareas por rango de calificaciones
Grado 9-10
Concéntrate. Observación, vocabulario y un procedimiento cuidadoso. Se proporciona el cálculo y el estudiante completa los números.
- Instale el aparato correctamente: bureta vertical y sujeta con pinza, sin burbujas en la llave de paso, con el menisco en cero.
- Cuente las gotas hasta el cambio de color y convierta la cuenta a un volumen usando 1 gota = 0.05 mL.
- Describa la secuencia de colores y nombre el indicador; indique 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, titulante, bureta, alícuota, indicador, punto final, neutralización.
Undécimo grado
Concéntrate. El cálculo completo sin ayuda y el significado del punto de equivalencia.
- Derivar la concentración a partir de los principios fundamentales: cantidad por gota, cantidad administrada, cantidad de ácido, concentración, sin que se indique la vía.
- Obtén la misma respuesta de una segunda manera usando CaVa = CbVb, y di por qué ese atajo es válido únicamente para una reacción 1:1.
- Calcule el pH del ácido antes de la titulación y confirme 0.82, y el pH del titulante y confirme 14.3.
- Explique por qué el pH de equivalencia es exactamente 7,00 para este par de reactivos y justifique el azul de bromotimol sobre esa base.
- Calcule el pH después de 14 y después de 16 gotas y explique por qué la transición es tan abrupta.
- Redondee la respuesta a la precisión que representa una gota.
12.º grado / Nivel universitario
Concéntrate. Diseño de métodos, análisis de errores y límites de la técnica. Se espera que los estudiantes critiquen el procedimiento en lugar de ejecutarlo.
- Construya la curva de titulación completa, pH en función del volumen del titulante, e identifique la inflexión; compare su pendiente con el ancho de la banda del indicador.
- Muestre cuantitativamente que un valorante de 2.0 mol/L limita el resultado a dos cifras significativas, y calcule la mejora que proporcionaría un valorante 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.
- Prediga cómo cambiarían la curva y el pH de equivalencia si el analito fuera ácido etanoico en lugar de ácido clorhídrico, y seleccione el indicador apropiado para ese caso.
- Discuta la diferencia entre el punto de equivalencia y el punto final como fuente de error sistemático en lugar de aleatorio, y estime su tamaño aquí.
- Relacione el método con sus usos industriales y clínicos —alcalinidad del agua tratada, acidez titulable en vino y leche, análisis de acidez gástrica— y explique qué hace de la titulación un método de referencia para calibrar técnicas instrumentales más rápidas.
Elementos esenciales para el laboratorio
Instrumentos
- Bureta (50 mL) con llave
- Pinza y soporte universal
- 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 color de pH (tabla de laboratorio)
- Bandeja de recuperación
Productos
- Ácido clorhídrico HCl, concentración desconocida (alícuota de 10 mL; se encontró que es 0.15 mol/L)
- Hidróxido de sodio NaOH 2.0 mol/L (titulante)
- Indicador de azul de bromotimol (3 gotas)
- Agua destilada (enjuague)