050 – Conductividad y pH

Clasificar un líquido desconocido como 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 cuesta casi nada y responde 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 produce efervescencia en un ácido y permanece inerte en cualquier otra cosa. Entre las tres, estas pruebas separan una sal de un ácido y de una base sin una sola lectura instrumental, razón por la cual sobreviven 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 tanto, 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 gas hidrógeno. Tres pruebas, tres preguntas diferentes; solo su combinación identifica una solución.

En este laboratorio, realizará las tres pruebas en cloruro de sodio, ácido clorhídrico e hidróxido de sodio 0.1 mol/L, registrando la conductividad, ambos colores de tornasol, la lectura del papel indicador de pH y el resultado con magnesio para cada uno. Luego, preparará cuatro disoluciones 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.

Metas educativas

Clasificación de una solución a partir de evidencias

• Clasificar una solución desconocida como ácida, básica o sal neutra utilizando la evidencia combinada del papel tornasol, papel pH, conductividad y reacción con magnesio.
• Explique cuál de las cuatro pruebas discrimina realmente entre las tres clases y cuál no, y por qué.

Manejo de los instrumentos

• Opere un detector de conductividad eléctrica y enjuague y seque los electrodos entre soluciones para que ni un rastro del líquido anterior pueda encender la bombilla.
• Lea una tira de papel indicador de pH comparándola con su escala de colores y un pH-metro en su pantalla, e indique cuál de los dos es más preciso y por cuánto.

Papel tornasol y papel pH como indicadores

• El tornasol es un tinte con un rango de transición de aproximadamente pH 4.5 a 8.3. Si se utilizan papel tornasol rojo y papel tornasol azul, y ambos papeles permanecen sin cambio de color, esto representa un resultado positivo (indicando que la solución es neutra, es decir, con un pH entre 4.5 y 8.3) en lugar de una prueba fallida.
• Distinga un papel de un solo tinte, que proporciona un rango, de un papel universal, que ofrece un valor aproximado.

Conductividad e iones disueltos

• La conducción en solución se produce mediante la migración de iones: las especies cargadas positivamente (cationes) se mueven hacia el electrodo negativo y las especies cargadas negativamente (aniones) se mueven hacia el electrodo positivo cuando se aplica un campo eléctrico, completando así el circuito eléctrico. El hecho de que las tres soluciones de 0.1 mol/L enciendan la bombilla se debe a que todas contienen una concentración suficiente de iones móviles para transportar la corriente eléctrica a través de la solución, independientemente de si son electrolitos fuertes o débiles.
• Prediga cuál de los tres conduciría mejor si el detector reportara 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

• Calcular la concentración de una solución después de la dilución, en mol/L y en g/L, y prepararla correctamente con una probeta.
• Demuestre que para un ácido monoprótico fuerte el aumento en el pH es igual al logaritmo en base diez del factor de dilución, y use eso para predecir un pH antes de medirlo.

Seguridad y eliminación

• Manipule ácido clorhídrico 1 mol/L e hidróxido de sodio 0.1 mol/L con guantes y protección ocular, y sefpa cuál de los dos causa la lesión ocular más grave.
• 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. Encienda el detector de conductividad eléctrica (ECD).
2. Vierta 10 mL de la solución de NaCl 0,1 M en el vaso de precipitados A.
3. Limpie los electrodos del ECD con agua destilada y séquelos con papel absorbente.
4. Sumerja los electrodos en la solución A. Observe si la bombilla se enciende o no y registre el resultado en la tabla de resultados.
5. Repita los pasos 2 al 4 con las soluciones de HCl 0.1M y NaOH 0.1M, con los vasos de precipitados B y C.
6. Sumerge un trozo de papel tornasol azul y un trozo de papel tornasol rojo en la solución A. Registra los colores obtenidos en la tabla de resultados.
7. Sumerja un trozo de papel indicador de pH en la solución A y evalúe el pH utilizando la escala de colores. Anote el pH en la tabla de resultados.
8. Repita los pasos 6 y 7 con las soluciones B y C.
9. Coloque una cinta de magnesio en la solución A y anote las observaciones en la tabla de resultados.
10. Repita 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. Agregue agua destilada hasta la marca de 60 mL.
6. Vierta 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. Agregue 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. Agregue agua destilada hasta la marca de 100 mL.
12. Vierta 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 potenciómetro. Registre los resultados en la tabla de resultados.
14. No olvide enjuagar el medidor de pH con agua destilada y secarlo con papel, entre mediciones.

Resultados esperados

Parte A: las propiedades de los ácidos, las bases y las sales. Las tres soluciones son de 0,1 mol/L y las tres son electrólitos fuertes, por lo que las tres encienden la bombilla. Lo que las separa es el tornasol, el papel pH y el magnesio.

Por qué la sal deja ambos papeles sin cambios. 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 toma un protón del agua ni le da uno. Por lo tanto, la solución se mantiene a pH 7, ambos papeles conservan su color original y ese par de no eventos es la identificación positiva de una sal neutra.

¿Por qué las tres conductas?. 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, el foco 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 conductores igualmente buenos, y este es el único aspecto en el que el foco 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 escribe habitualmente, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. La fuerza impulsora es grande: E° para Mg²⁺El Mg es de −2.37 V frente a 0.00 V para el 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 insoluble₂; ambos se registran sin reacción. Las burbujas en el vaso de precipitados B son hidrógeno, y son el único gas producido en cualquier parte de este laboratorio.

Parte B: concentración y pH. Se realizan cuatro disoluciones a partir de la misma solución madre de 1 mol/L, cuya concentración másica es 1.00 mol/L × 36.46 g/mol = 36.5 g/L. Cada disolución cumple con C_dV_d = C_nV_n, entonces 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 la misma sustitución da el resto.

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 eleva el pH en un factor de 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 en esta serie son desiguales, mientras que los del laboratorio 048 son todos iguales; aquí los factores de dilución son 3, 6, 10 y 100, no un diez constante.

Leyendo la báscula al revés. Debido a que la escala es logarítmica, una unidad de pH representa 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 una décima parte de la de la solución 3. Yendo en sentido inverso, [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 medición de concentración en lugar de una comparación de color.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 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 cuál solución es el ácido, cuál es la base y cuál es la sal, y nombre la prueba única 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 en el pH es igual al logaritmo del factor de dilución para las cuatro soluciones; balancea la reacción del magnesio y calcula el volumen de hidrógeno que daría una cinta de 0.10 g en condiciones ambientales.

12.º grado / Nivel universitario

Enfoque mecanismo, precisión y los límites de cada método.

Actividades: explicación de la conductividad molar anómalamente alta del H₃O⁺ y OH⁻ en términos de la transferencia de protones entre moléculas de agua, y predecir la relación de conductividades de las tres soluciones; explique cuantitativamente el pH de la solución de cloruro de sodio usando $K$_w y la ausencia de hidrólisis; estime el coeficiente de actividad necesario para conciliar un pH medido de 0.1 con una solución madre de 1 mol/L y comente sobre la dirección de la desviación; identifique las dos lecturas del medidor que no coinciden con −log C y cuantifique la discrepancia; proponga un control que haga que la prueba de conductividad sea discriminatoria y prediga su resultado; analice por qué el papel tornasol, el papel indicador de pH y un electrodo de vidrio difieren en precisión en aproximadamente un orden de magnitud en cada paso.

Elementos esenciales para el 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 solución madre (4, en la mesa de reactivos)
• Papel tornasol azul y rojo
• Tiras reactivas 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