052 – Titolazione acido-base 2

La titolazione è il modo standard per rispondere a una domanda a cui non si può rispondere semplicemente guardando: quanto è presente di una sostanza disciolta. Una soluzione a concentrazione nota viene aggiunta a un volume misurato della soluzione a concentrazione ignota, in piccole quantità controllate, finché non ne è stata aggiunta esattamente la quantità necessaria per consumarla. Il volume necessario viene letto da una buretta e, poiché l'equazione bilanciata stabilisce il rapporto in cui le due sostanze reagiscono, tale volume fornisce direttamente la concentrazione ignota. Impianti di trattamento delle acque, latterie, aziende vinicole, gestori di piscine e laboratori clinici eseguono titolazioni ogni giorno e la tecnica rimane il metodo di riferimento rispetto al quale vengono calibrate analisi strumentali più rapide.

La chimica alla base è la neutralizzazione. L'acido cloridrico e l'idrossido di sodio reagiscono in rapporto di una mole a una mole, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l), quindi al momento in cui l'acido viene consumato esattamente, la quantità di base aggiunta equivale alla quantità di acido che era presente. Quel momento è il punto di equivalenza, e poiché il cloruro di sodio è il sale di un acido forte e di una base forte, nessuno dei suoi ioni reagisce con l'acqua e la soluzione all'equivalenza è perfettamente neutra, a pH 7,00. Il problema è vederlo. Viene aggiunto un indicatore — qui il blu di bromotimolo, che è giallo al di sotto di pH 6,0 e blu al di sopra di pH 7,6 — in modo che la soluzione cambi colore man mano che si supera il punto di equivalenza.

In questo laboratorio fisserete una buretta da 50 mL a un supporto, la riempirete con idrossido di sodio 2,0 mol/L con il menisco impostato sullo zero e senza bolle nel rubinetto, preleverete con una pipetta 10 mL di acido cloridrico a concentrazione ignota inserendoli in un beuta di Erlenmeyer e aggiungerete tre gocce di blu di bromotimolo. Rilascerete quindi la base una goccia alla volta, mescolando dopo ciascuna aggiunta, finché la soluzione gialla non virerà di colore. Il conteggio delle gocce fornisce il volume di base erogato e da tale volume la concentrazione dell'acido si ottiene in due righe di calcoli. Questa è la prima vera titolazione della raccolta: il laboratorio 047, nonostante il titolo, è una determinazione del pH colorimetrica senza buretta e senza punto di equivalenza.

Obiettivi Educativi

Il principio dell'analisi volumetrica

• Specifica cosa misura una titolazione e perché un volume può sostituire una quantità di sostanza.
• Distingui il punto di equivalenza, che è determinato dalla stechiometria della reazione, dal punto finale, che è ciò che l'indicatore mostra.

Stechiometria della neutralizzazione

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O₂E riconoscere il rapporto molare 1:1 che esso impone.
• Applica C_aV_a = C_bV_b per ottenere una concentrazione sconosciuta, e spiegare perché la relazione vale solo per una reazione 1:1.
• Apprezza che la neutralità significhi quantità uguali di H₃O⁺ e OH⁻, volumi non uguali delle due soluzioni.

Scelta e lettura di un indicatore

• Giustificare il blu di bromotimolo per un acido forte titolato con una base forte, dato che il suo intervallo di viraggio di pH da 6,0 a 7,6 si estende a cavallo del pH di equivalenza di 7,00.
• Riconosci il primo verde persistente come il punto finale e un blu o turchese stabilizzato come prova che il punto finale è stato superato.

Tecnica della vetreria volumetrica

• Montare una buretta: fissarla verticalmente, eliminare la bolla d'aria dal rubinetto e portare il menisco sullo zero, leggendo una scala della buretta che va verso il basso.
• Erogare un'aliquota definita con una pipetta volumetrica e agitare il matraccio dopo ogni aggiunta.
• Avvicinati al punto di arrivo una goccia alla volta, e sappi perché è l'ultima goccia quella che conta.

Gestione e precisione dei dati

• Convertire un conteggio di gocce in un volume e poi in una quantità di sostanza, tenendo traccia delle unità a ogni passaggio.
• Esprimi il risultato a un numero di cifre significative che la misurazione può effettivamente supportare.
• Spiega perché le prove replicate vengono mediate.

Sicurezza con i corrosivi concentrati

• Maneggiare idrossido di sodio 2 mol/L, che è più dannoso per gli occhi rispetto all'acido che neutralizza, con i corretti dispositivi di protezione.
• Smaltire i rifiuti neutralizzati nella vaschetta di recupero e risciacquare la vetreria con acqua distillata.

Protocollo

Vogliamo determinare la concentrazione di una soluzione di acido cloridrico (HCl).

Installazione

1. Fissare un morsetto universale al supporto.
2. Fissare la buretta tarata da 50 mL al morsetto.
3. Prelevare 10 mL di soluzione di acido cloridrico a concentrazione incognita usando la pipetta.
4. Svuota la pipetta contenente acido cloridrico nel pallone di Erlenmeyer.
5. Aggiungere 3 gocce di blu di bromotimolo nel pallone di Erlenmeyer, usando il contagocce.
6. Mescolare la soluzione usando la bacchetta di vetro. Annotare il colore e stimare il pH usando la scala colorimetrica.
7. Sciacquare l'asta di vetro con acqua distillata.
8. Riempire la buretta fino a metà con la soluzione neutralizzante NaOH 2M.
9. Posizionare un becher da 50 mL sotto il rubinetto della buretta.
10. Attenzione, non devono esserci bolle nel rubinetto. Per rimuoverle, far scorrere un po' di NaOH 2M dalla buretta nel becher da 50 mL toccando la piccola valvola rossa del rubinetto.
11. Svuota il becher da 50 mL nel vassoio di recupero e rimettilo sotto la buretta.
12. Completare il riempimento della buretta con la soluzione neutralizzante NaOH 2M fino a quando il menisco della buretta graduata si trova a zero. Attenzione, la buretta è graduata in direzione opposta a quella di un cilindro graduato.
13. Sostituire il becher da 50 mL posto sotto la buretta tarata con il pallone Erlenmeyer da 100 mL contenente acido cloridrico.

Titolazione della soluzione

1. Lasciare scorrere 1 goccia (circa 0,05 mL) di soluzione neutralizzante (NaOH 2M) toccando la piccola valvola rossa del rubinetto della buretta (la valvola si apre brevemente e si chiude automaticamente dopo che la goccia è scesa).
2. Dopo ogni goccia, mescolare la soluzione con la bacchetta di vetro.
3. Ripetete i passaggi 1 e 2 finché il colore della soluzione passa dal giallo al primo verde persistente, che corrisponde a un pH neutro (7) per il blu di bromotimolo. Una soluzione nettamente blu o turchese indica che il punto finale è stato superato.
4. Quando la soluzione ha raggiunto un pH neutro, sciacquare l'asta di vetro con acqua distillata.
5. Il volume di soluzione neutralizzante (NaOH 2M) aggiunto è registrato nella tabella dei risultati.
6. Si raccomanda di ripetere l'esperimento 2 volte per mediare i risultati ottenuti.
7. Calcolare la quantità di NaOH 2M necessaria per neutralizzare un'uguale quantità di HCl. La quantità ottenuta, calcolata per 1 L di soluzione, sarà la molarità della soluzione di HCl.

Nota: 1 goccia = 0,05 mL, NaOH 2 moli/1000 mL = NaOH 0,0001 mole / 0,05 mL, e 1 mole di NaOH neutralizza 1 mole di HCl. Il numero di moli di NaOH utilizzate per neutralizzare 10 mL di acido cloridrico indicherà il numero di moli di HCl presenti in 10 mL di soluzione. Per estrapolare la molarità della soluzione di HCl, è necessario moltiplicare per 100 (quindi 10 mL * 100 = 1000 mL).

Risultati Previsti

La reazione e cosa significa il punto finale. La reazione di titolazione è HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l), o in termini ionici semplicemente H₃O⁺ + OH⁻ → 2 H₂Oh, dato che sodio e cloruro sono spettatori per tutto il tempo. Il rapporto è uno a uno, quindi all'equivalenza n(NaOH aggiunto) = n(HCl presente). Il cloruro di sodio non si idrolizza — il cloruro è la base coniugale di un acido forte e il sodio non è acido — quindi la soluzione all'equivalenza è esattamente neutra e il pH di equivalenza è 7,00. È insolito e conveniente: per un acido debole sarebbe superiore a 7, e il blu di bromotimolo sarebbe quindi l'indicatore sbagliato.

La misura. La goccia è l'unità di volume in questo laboratorio. Una goccia è 0,05 mL, quindi ogni goccia di idrossido di sodio 2,0 mol/L eroga

n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10^{meno tre} L = 1,0 × 10⁻⁴ mol di NaOH per goccia

Il punto finale viene raggiunto dopo 15 gocce. Ciò corrisponde a 15 × 0,05 = 0,75 mL, contenenti 15 × 1,0 × 10⁻⁴ = 1,5 × 10^{meno tre} mol di base, che per il rapporto 1:1 devono aver neutralizzato 1,5 × 10^{meno tre} moli di acido. L'acido occupava 10,00 mL, quindi

C(HCl) = n / V = 1.5 × 10^{meno tre} mol / 0,0100 L = 0,15 mol/L

La stessa risposta segue su una sola riga da C_aV_a = C_bV_b: C_a = (2,0 mol/L × 0,75 mL) / 10,0 mL = 0,15 mol/L. Il percorso del protocollo — moltiplicare la quantità trovata in 10 mL per 100 per arrivare a un litro — è la stessa operazione aritmetica scritta in modo diverso.

Ciò che fa il fiaschetto, goccia a goccia. Il colore della soluzione è determinato dal suo pH, e il pH è determinato da quale dei due reagenti è in eccesso. Prima del punto di equivalenza c'è acido in eccesso; dopo di esso c'è base in eccesso; il passaggio è netto perché un acido forte e una base forte non lasciano nulla per tamponare la soluzione. La tabella sottostante illustra l'intero procedimento, utilizzando la quantità in eccesso divisa per il volume totale in ogni fase.

Lettura della buretta. Una buretta è graduata verso il basso, con lo zero in cima, perché la quantità di interesse è ciò che ne è uscito anziché ciò che rimane. Il titolo è quindi la lettura finale meno la lettura iniziale, e impostare il menisco a zero prima di iniziare è una comodità piuttosto che un requisito. La bolla nel rubinetto è importante per lo stesso motivo: una bolla espulsa durante la titolazione viene conteggiata come volume erogato quando non ha mai raggiunto la beuta, e ciò distorce il titolo verso l'alto e con esso la concentrazione calcolata.

Perché il blu di bromotimolo e non un altro indicatore. Un indicatore è esso stesso un acido debole le cui due forme differiscono per il colore, e cambia in circa due unità di pH incentrate sul suo pK_In. Il blu di bromotimolo ha un pK_In ≈ 7,1, motivo per cui il suo intervallo comprende la neutralità; il laboratorio 049 esamina l'aritmetica alla base di quella ampiezza di due unità. Per questa specifica titolazione la scelta è generosa piuttosto che critica: poiché il pH varia da circa 4 a circa 10 nel giro di una frazione di goccia in una titolazione forte-forte progettata normalmente, il rosso metile o la fenolftaleina fornirebbero lo stesso titolo. La scelta diventa critica non appena l'acido è debole. Titolando l'acido etanoico, oggetto del laboratorio 048, in soluzione rimane etanoato all'equivalenza, il pH in quel punto è di circa 8,7, e il blu di bromotimol segnalerebbe il punto finale in anticipo mentre la fenolftaleina sarebbe quella giusta.

Dove si colloca questo tra gli altri laboratori di pH. Il laboratorio 046 stabilisce cos'è il pH e come viene misurato. Lo 048 separa la concentrazione dalla forza confrontando l'acido etanoico con l'acido cloridrico alla stessa concentrazione. Lo 049 tratta gli equilibri degli indicatori e l'ampiezza di una banda di viraggio. Lo 050 mostra che per un acido forte il pH è semplicemente il logaritmo del fattore di diluizione. Questo laboratorio è il luogo in cui queste idee diventano un metodo analitico: per la prima volta il pH non è la risposta ma il segnale, e la risposta è una concentrazione letta da una buretta.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

Concentrati. Osservazione, vocabolario e procedura accurata. Il calcolo viene fornito e lo studente inserisce i numeri.

• Montare correttamente l'apparecchio: buretta verticale e fissata con pinza, assenza di bolle nel rubinetto, menisco a zero.
• Conta le gocciole fino al cambio di colore e converti il conteggio in volume usando 1 goccia = 0,05 mL.
• Descrivi la sequenza di colori e nomina l'indicatore; indica cosa significano giallo, verde e blu.
• Eseguire il calcolo fornito per ottenere un valore pari a 0,15 mol/L.
• Vocabolario da usare correttamente alla fine: titolazione, titolante, buretta, aliquota, indicatore, punto finale, neutralizzazione.

Undicesimo anno

Concentrati. Il calcolo completo senza ausili e il significato del punto di equivalenza.

• Calcolare la concentrazione partendo dai principi fondamentali: quantità per goccia, quantità erogata, quantità di acido, concentrazione — senza che venga indicata la via di somministrazione.
• Ottenere lo stesso risultato in un secondo modo utilizzando il linguaggio C_aV_a = C_bV_b, e spiega perché tale semplificazione è valida solo per una reazione 1:1.
• Calcolare il pH dell'acido prima della titolazione e verificare che sia pari a 0,82, quindi calcolare il pH del titolante e verificare che sia pari a 14,3.
• Spiegare perché il pH di equivalenza è esattamente pari a 7,00 per questa coppia di reagenti e giustificare l'uso del blu di bromotimolo sulla base di tale considerazione.
• Calcola il pH dopo 14 e dopo 16 gocce e spiega perché il cambiamento è così brusco.
• Arrotonda la risposta alla precisione rappresentata da una goccia.

12ª classe / Livello universitario

Concentrati. Progettazione del metodo, analisi degli errori e limiti della tecnica. Gli studenti sono invitati a criticare la procedura piuttosto che a eseguirla.

• Tracciare la curva di titolazione completa, con il pH in funzione del volume di titolante, e individuare il punto di inflessione; confrontare la sua pendenza con l'ampiezza della banda dell'indicatore.
• Dimostrare quantitativamente che un titolante a 2,0 mol/L limita il risultato a due cifre significative e calcolare il miglioramento che si otterrebbe utilizzando un titolante a 0,10 mol/L.
• Riorganizzare la titolazione in modo da raggiungere un punto finale compreso tra 20 e 40 mL e specificare la concentrazione del titolante e il volume dell'aliquota necessari per raggiungerlo.
• Prevedere come cambierebbero la curva e il pH di equivalenza se l'analita fosse l'acido etanoico anziché l'acido cloridrico, e selezionare l'indicatore appropriato per tale caso.
• Discuti la differenza tra il punto di equivalenza e il punto finale come fonte di errore sistematico anziché casuale, e stimane qui l'entità.
• Illustrare le applicazioni industriali e cliniche di questo metodo — alcalinità dell’acqua trattata, acidità titolabile nel vino e nel latte, analisi dell’acidità gastrica — e spiegare perché la titolazione è considerata un metodo di riferimento per la calibrazione di tecniche strumentali più rapide.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Buretta (50 mL) con rubinetto
• Morsetto e supporto universali
• Pipetta volumetrica (10 mL)
• Beuta di Erlenmeyer (100 mL)
• Bicchiere da laboratorio (50 mL), utilizzato per lo spurgo del rubinetto a tre vie
• Contagocce
• Bastoncino di vetro
• Scala cromatica del pH (tabella da banco)
• Vassoio di recupero

Prodotti

• Acido cloridrico HCl, concentrazione sconosciuta (aliquota da 10 mL; è risultato essere 0,15 mol/L)
• Idrossido di sodio NaOH 2,0 mol/L (titolante)
• Indicatore di blu di bromotimolo (3 gocce)
• Acqua distillata (risciacquo)