El documento presenta los resultados de una titulación potenciométrica de un ácido poliprótico (H3PO4) con una base fuerte (NaOH). Se utilizaron los métodos de la primera y segunda derivada y el método de Gran para determinar los puntos de equivalencia. Los resultados muestran que los métodos permitieron identificar claramente los puntos de equivalencia y calcular las concentraciones originales del ácido y sus constantes de acididad (pKa).
Titulación potenciométrica de un ácido poliprótico con una base fuerte
1. 1
TITULACIÓN POTENCIOMÉTRICA
DE UN ÁCIDO POLIPRÓTICO CON UNA BASE FUERTE. [1]
Luis Pedroza, Carolina Vesga, Jorge Hernández
Universidad del Atlántico - Departamento de Química – Química analítica IV
Barranquilla – Atlántico - Colombia
29 de mayo del 2013
Resumen
Se realiza valoración potenciométrica usando un pH-metro a ácidos polipróticos con hidróxido de sodio
aproximadamente 0,1M, a partir de los datos obtenidos se calcula las concentraciones originales y los pKa para
los ácidos valorados, usando métodos de derivadas y método de Gran.
Palabras Clave: ácido poliprótico, potenciometría, derivada, Gran.
Abstract
Potentiometric titration is performed using a pH meter to polyprotic acid with sodium hydroxide about 0.1 M,
from the obtained data is calculated and the original concentrations for acid and pKa measured using methods
derived and methods from Gran.
Keywords: polyprotic acid, potentiometry, derivative, Gran.
1. Introducción.
En el análisis cuantitativo son muy utilizadas las
valoraciones potenciométricas, por cuanto los
resultados que se obtienen son bastante precisos, las
valoraciones potenciométricas se fundamentan por la
existencia de especies iónicas las cuales se producen
mediante reacciones de óxido-reducción o más
conocidas como Reacciones Redox, en estos sistemas
es interesante el cambio del estado de oxidación el cual
se entiende cuando se obtiene una polarización del 100
% produciéndose así cationes y aniones, también en
estas reacciones se transfieren electrones desde una
unidad (un átomo, molécula o ion) a otra, por ello el
proceso tiene que transcurrir simultáneamente, debido a
que mientras una especie se oxida (cede electrones) la
otra especie necesariamente se tiene que reducir (recibe
electrones) o viceversa.
En las valoraciones potenciométricas y como en toda
determinación volumétrica es necesario que la
estequiometría esté perfectamente establecida, que la
cinética de la reacción sea rápida y que el punto final
sea cercano al punto de equivalencia.
Un sistema triprótico como el ácido fosfórico, que
experimenta tres reacciones de disociación en
disolución acuosa cuyas constantes de equilibrio se
designan por Ka1, Ka2 y Ka3. Con este ácido, al igual
que con otros polipróticos, se cumple: Ka1 > Ka2 > Ka3.
Si Ka2 y Ka3 son despreciables frente a Ka1, el cálculo
del pH de una disolución de H3A se realiza como si se
2. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
2
tratase de un ácido monoprótico de Ka=Ka1.
De forma general para cualquier ácido triprótico los
sistemas se tratan de la siguiente forma:
- H3A: como ya hemos mencionado como ácido
monoprótico de Ka=Ka1.
- H2A-
: como la forma intermedia de un ácido diprótico;
es decir, una especie anfótera y considerando Ka1 y Ka2.
- HA2-
: también como la forma intermedia de un ácido
diprótico pero considerando Ka2 y Ka3.
- A3-
: como una especie monobásica de Kb=Kw/Ka1.
El punto de equivalencia de la reacción de
valoración se determina por la aparición de un punto
singular en la curva de valoración, potencial vs
cantidad de reactivo añadido. La detección de ese
punto final puede establecerse de diferentes formas:
Método directo: consiste en graficar la variación
del potencial en función del volumen de titulante
añadido. El punto de inflexión en la parte
ascendente de la curva se estima visualmente y se
toma como punto final.
Método de la primera derivada: implica calcular y
graficar el cambio de potencial (E) por unidad de
volumen (V), E/V, en función del volumen
promedio para obtener una curva con un máximo
que corresponde al punto de inflexión. El punto
final es el volumen correspondiente al valor más
alto de E/V, ya que este valor es justamente la
pendiente de la curva E vs. V.
Método de la segunda derivada: consiste en
graficar (E/V)/V contra V. El punto final es el
valor de V donde la curva cruza la abscisa, o sea el
punto de intersección de la segunda derivada con
cero. En este punto (E/V)/V pasa de un valor
positivo a un valor negativo.
Método de Gran: consiste en graficar V/E o sea
el recíproco de E/V, en función del volumen
promedio del titulante. Antes y después del punto de
equivalencia V/E varía linealmente con el
volumen V, produciéndose dos líneas rectas que se
interceptan en el punto de equivalencia.
En este caso el potencial que se mide es el potencial de
hidrogeno, pH.
2. Objetivos.
Evaluación de los puntos de equivalencia de una
reacción ácido-base entre un ácido poliprótico como
el H3PO4 y una base fuerte como el NaOH,
utilizando los métodos de la primera y segunda
derivada y el método de Gran.
Determinar la concentración del ácido fosfórico en
soluciones de concentración desconocida y en
bebidas de cola.
Determinar los valores de pKa del ácido poliprótico.
3. Desarrollo experimental.
Se colocó 25 mL de una solución de ácido fosfórico
de concentración desconocida en un vaso de 250
mL, se diluyó con agua hasta aproximadamente 100
mL se insertaron los electrodos y se midió el pH
antes de adicionar NaOH. Se adicionó desde la
bureta 1 mL de NaOH. Se procedió de la misma
forma, adicionando lentamente, en intervalos de un
mL hasta observar cambios bruscos en el valor del
pH. Finalmente, se hicieron dos lecturas adicionales
agregando 1, 5 y 10 mL de exceso del titulante.
Se repitió la titulación con dos alícuotas adicionales
de H3PO4 de concentración desconocida,
adicionando a una, dos gotas del indicador rojo de
metilo y a la otra, dos gotas de naranja de metilo.
Posteriormente se tomó una muestra de
aproximadamente 100 mL de bebida gaseosa de
Coca-Cola, se tituló la muestra con la solución de
NaOH previamente estandarizada. Se repitió la
titulación con rojo de metilo y fenolftaleína.
3. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
3
4. Resultados y Análisis.
4.1 Titulación potenciométrica de H3PO4 sin indicadores químicos.
En la titulación se utilizó una alícuota de 25 mL de H3PO4, se obtuvo los potenciales para cada mL de NaOH
agregado; en la tabla 1, se muestran los resultados de la titulación, además de los cálculos pertinentes para hallar
los puntos de equivalencia por los métodos de primera y segunda derivada y método de Gran.
Se resalta el punto de equivalencia para la valoración, en cada método en su respectiva gráfica.
Tabla 1. Titulación potenciométrica de H3PO4 sin indicador
Datos Primera Derivada Segunda Derivada Gran
V (mL) pH V (mL) ∆pH/∆V V (mL) ∆pH2
/∆V2
V(mL) ∆V/∆pH
0 1,96 0,5 0,03 1,75 -9,25186E-18 0,5 33,3333333
1 1,99 3 0,03 4,25 1,51394E-16 3 33,3333333
5 2,11 5,5 0,03 6 -3,75768E-16 5,5 33,3333333
6 2,14 6,5 0,03 7 3,84877E-16 6,5 33,3333333
7 2,17 7,5 0,03 8 0,008823529 7,5 33,3333333
8 2,2 8,5 0,04 9 -3,97343E-16 8,5 25
9 2,24 9,5 0,04 10 0,009047619 9,5 25
10 2,28 10,5 0,05 11 -0,01826087 10,5 20
11 2,33 11,5 0,03 12 0,0184 11,5 33,3333333
12 2,36 12,5 0,05 13 -4,11194E-16 12,5 20
13 2,41 13,5 0,05 14 0 13,5 20
14 2,46 14,5 0,05 14,775 0,048172757 14,5 20
15 2,51 15,05 0,1 15,175 -0,07377451 15,05 10
15,1 2,52 15,3 0,025 15,525 0,053428571 15,3 40
15,5 2,53 15,75 0,08 16 -0,019384615 15,75 12,5
16 2,57 16,25 0,06 16,5 0,019402985 16,25 16,6666667
16,5 2,6 16,75 0,08 17,125 -0,019142857 16,75 12,5
17 2,64 17,5 0,06 18 0,028378378 17,5 16,6666667
18 2,7 18,5 0,09 19 0,009487179 18,5 11,1111111
19 2,79 19,5 0,1 19,875 0,019259259 19,5 10
20 2,89 20,25 0,12 20,5 -8,66777E-16 20,25 8,33333333
20,5 2,95 20,75 0,12 21 0,019529412 20,75 8,33333333
21 3,01 21,25 0,14 21,5 0,05862069 21,25 7,14285714
21,5 3,08 21,75 0,2 21,9 -2,79255E-15 21,75 5
22 3,18 22,05 0,2 22,1 7,07335E-15 22,05 5
22,1 3,2 22,15 0,2 22,2 -7,07349E-15 22,15 5
22,2 3,22 22,25 0,2 22,3 2,65261E-15 22,25 5
22,3 3,24 22,35 0,2 22,4 0,099554566 22,35 5
22,4 3,26 22,45 0,3 22,5 -4,4212E-15 22,45 3,33333333
22,5 3,29 22,55 0,3 22,6 -0,099558499 22,55 3,33333333
22,6 3,32 22,65 0,2 22,7 0,09956044 22,65 5
16. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
16
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
mL NaOH
Grafico 13. Titulacion Coca-Cola sin indicador
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆pH/∆V
mL NaOH
Grafico 14. Metodo de la 1° derivada
17. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
17
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆2pH/∆V2
mL NaOH
Grafico 15. Método de la 2° derivada
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆V/∆pH
mL NaOH
Grafico 16. Método Gran
18. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
18
4.5. Titulacion de Coca-Cola con Rojo de Metilo
Para la valoración realizada a la Coca-Cola con el rojo de metilo se obtienen los datos reportados en la tabla 5.
Tabla 5. Titulación potenciométrica de Coca-Cola con Rojo de Metilo
Datos Primera derivada Segunda derivada Gran
V (mL) pH V (mL) ∆pH/∆V V (mL) ∆pH2
/∆V2
V(mL) ∆V/∆pH
0 2,85 0,3 0,45 0,55 0,24375 0,3 2,22222222
0,6 3,12 0,8 1,1 0,95 0,58181818 0,8 0,90909091
1 3,56 1,1 1,9 1,175 0,088 1,1 0,52631579
1,2 3,94 1,25 2 1,3 -0,0925926 1,25 0,5
1,3 4,14 1,35 1,9 1,4 -1,22E-14 1,35 0,52631579
1,4 4,33 1,45 1,9 1,5 -0,5612903 1,45 0,52631579
1,5 4,52 1,55 1,3 1,6 -0,0939394 1,55 0,76923077
1,6 4,65 1,65 1,2 1,7 -0,0942857 1,65 0,83333333
1,7 4,77 1,75 1,1 1,8 -0,1891892 1,75 0,90909091
1,8 4,88 1,85 0,9 1,9 -0,0948718 1,85 1,11111111
1,9 4,97 1,95 0,8 2,1 -0,1213333 1,95 1,25
2 5,05 2,25 0,66 2,5 -0,1636364 2,25 1,51515152
2,5 5,38 2,75 0,46 3 -0,2707692 2,75 2,17391304
3 5,61 3,25 0,14 3,525 0,47894737 3,25 7,14285714
3,5 5,68 3,8 0,7 4,05 -0,1988372 3,8 1,42857143
4,1 6,1 4,3 0,475 4,525 -0,086 4,3 2,10526316
4,5 6,29 4,75 0,38 5 -0,0180952 4,75 2,63157895
5 6,48 5,25 0,36 5,5 0,12782609 5,25 2,77777778
5,5 6,66 5,75 0,5 6 0,0552 5,75 2
6 6,91 6,25 0,56 6,5 0,27777778 6,25 1,78571429
6,5 7,19 6,75 0,86 7 0,76344828 6,75 1,1627907
7 7,62 7,25 1,68 7,5 -0,4864516 7,25 0,5952381
7,5 8,46 7,75 1,16 8 -0,6012121 7,75 0,86206897
8 9,04 8,25 0,52 8,5 -3,35E-15 8,25 1,92307692
8,5 9,3 8,75 0,52 9 -0,1891892 8,75 1,92307692
9 9,56 9,25 0,32 9,5 -0,0758974 9,25 3,125
9,5 9,72 9,75 0,24 10 3,3794E-15 9,75 4,16666667
10 9,84 10,25 0,24 10,5 -0,0762791 10,25 4,16666667
10,5 9,96 10,75 0,16 11 0,01911111 10,75 6,25
11 10,04 11,25 0,18 11,525 -0,0286017 11,25 5,55555556
11,5 10,13 11,8 0,15 12,05 -0,0239837 11,8 6,66666667
12,1 10,22 12,3 0,125 12,525 0,01447059 12,3 8
12,5 10,27 12,75 0,14 13,025 -0,0383459 12,75 7,14285714
13 10,34 13,3 0,1 13,55 -2,996E-15 13,3 10
19. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
19
13,6 10,4 13,8 0,1 14,275 -0,0561356 13,8 10
14 10,44 14,75 0,04 15 -0,1160656 14,75 25
15,5 10,5 15,25 -0,08 11,375 1,59142222 15,25 -12,5
15 10,54 7,5 0,70266667 3,75 - 7,5 1,42314991
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
pH
mL NaOH agregados
Grafico 17. Titulación de Coca-Cola sin
indicador
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
∆pH/∆V
mL NaOH
Grafico 18. Método de la 1° derivada
20. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
20
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆2pH/∆V2
mL NaOH
Grafico 19. Método de la 2° derivada
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
∆V/∆pH
mL NaOH
Grafica 20. Método de Gran
21. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
21
4.6. Titulación de Coca-Cola con Fenolftaleína
Para la valoración realizada a la Coca-Cola con el Fenolftaleína se obtienen los datos reportados en la tabla 6.
Tabla 6. Titulación potenciométrica de Coca-Cola con Fenolftaleína
Datos Primera derivada Segunda derivada Gran
V (mL) pH V (mL) ∆pH/∆V V (mL) pH V (mL) ∆pH/∆V
0 2,81 0,25 0,46 0,5 0,16666667 0,25 2,17391304
0,5 3,04 0,75 0,96 1 0,648 0,75 1,04166667
1 3,52 1,25 2,04 1,45 -0,1313131 1,25 0,49019608
1,5 4,54 1,65 1,86666667 1,775 -0,5789474 1,65 0,53571429
1,8 5,1 1,9 1,2 2,075 -0,3377778 1,9 0,83333333
2 5,34 2,25 0,8 2,5 -0,18 2,25 1,25
2,5 5,74 2,75 0,58 3 -0,0338462 2,75 1,72413793
3 6,03 3,25 0,54 3,5 0,01733333 3,25 1,85185185
3,5 6,3 3,75 0,56 4 0,12352941 3,75 1,78571429
4 6,58 4,25 0,7 4,5 0,01789474 4,25 1,42857143
4,5 6,93 4,75 0,72 5 0,74190476 4,75 1,38888889
5 7,29 5,25 1,54 5,525 0,00905172 5,25 0,64935065
5,5 8,06 5,8 1,55 6,075 -0,6485039 5,8 0,64516129
6,1 8,99 6,35 0,84 6,6 -0,3522628 6,35 1,19047619
6,6 9,41 6,85 0,46 7,075 -0,1032192 6,85 2,17391304
7,1 9,64 7,3 0,35 8,05 -0,1212413 7,3 2,85714286
7,5 9,78 8,8 0,20384615 9,575 -0,0542847 8,8 4,90566038
10,1 10,31 10,35 0,14 10,575 0,00958333 10,35 7,14285714
10,6 10,38 10,8 0,15 11,05 -0,0477876 10,8 6,66666667
11 10,44 11,3 0,1 11,55 -2,977E-15 11,3 10
11,6 10,5 11,8 0,1 12,025 3,5024E-15 11,8 10
12 10,54 12,25 0,1 12,5 0 12,25 10
12,5 10,59 12,75 0,1 13 -0,0384906 12,75 10
13 10,64 13,25 0,06 13,5 0,01927273 13,25 16,6666667
13,5 10,67 13,75 0,08 14 -0,0192982 13,75 12,5
14 10,71 14,25 0,06 14,5 0 14,25 16,6666667
14,5 10,74 14,75 0,06 11,125 1,29406667 14,75 16,6666667
15 10,77 7,5 0,718 3,75 #¡DIV/0! 7,5 1,39275766
22. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
22
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
mL NaOH agregados
Grafico 21. Titulación de Coca-Cola sin
indicador
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆pH/∆V
mL NaOH
Grafico 22. Método de la 1° derivada
23. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
23
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆2pH/∆V2
mL NaOH
Grafico 23. Método de la 2° derivada
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
∆V/∆pH
mL NaOH
Grafica 24. Método Gran
24. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
24
Para las titulaciones de la solución de H3PO4 y de Coca-Cola se expresan los volúmenes que se requieren para alcanzar el
punto de equivalencia para cada método en la tabla 7 y 8 respectivamente, se saca un promedio general para cada
titulación y se calcula la concentración de H3PO4 en la solución y en la gaseosa, sinedo estas valoradas con NaOH
Tabla 7. Volúmenes (mL) del punto de equivalencia para H3PO4
Método Titulación sin indicador
Titulación con naranja de
metilo
Titulación con rojo de
metilo
Directo 24,7 mL 24,9 mL 24,6 mL
1° derivada 24,5 mL 25,1 mL 25,35 mL
2° derivada 24,78 mL 23,98 mL 24,528 mL
Gran 24,93 mL 24,67 mL 24,7 mL
Promedio mL de
neutralización
24,7275 (±0,1791) mL 24,6625 (±0,4877) mL 24,7945 (±0,3769) mL
Concentración (M) H3PO4
0,0967(±9,8679*10-4
)M 0,0964(±6,9298*10-4
)M 0,0970(1,6308*10-3
)M
Promedio general M
H3PO4
0,0967(±1,1035*10-3
)M
Tabla 8. Volúmenes (mL) del punto de equivalencia para Coca-Cola
Método Titulación sin indicador
Titulación con rojo de
metilo
Titulación con
fenolftaleína
Directo 7,1 mL 6,7 mL 5,8 mL
1° derivada 7,32 mL 7,2 mL 5,9 mL
2° derivada 7,2 mL 7,35 mL 5,67 mL
Gran 7,28 mL 7,46 mL -
Promedio mL de
neutralización
7,2250 (±0,0456) mL 7,1775 (±0,1098) mL 5,7900 (±0,0976) mL
Concentración (M) H3PO4
0,02826 (±0,0067) M 0,0280 (±1,6789*10-4
)M 0,0226 (±3,1956*10-3
)M
Promedio general M
H3PO4
0,0262 (±5,3409*10-3
)M
En la valoración de la bebida gaseosa se ven grandes irregularidades en los métodos gráficos calculados, esto en gran
parte se debe al error experimental cometido, pues no se calentó la bebida para eliminar el CO2 que en solución acuosa
crea un equilibrio acido-base teniendo H2CO3, además de la presencia de otros posibles ácidos orgánicos débiles en la
bebida gaseosa que hacen parte de la bebida, alterando los resultados requeridos para calcular la concentración de H3PO4.
25. L. Pedroza; C. Vesga; J. Hernández – Titulación Potenciométrica de un ácido débil con una base fuerte
25
Los volúmenes observados de NaOH, se toman como posibles volúmenes por lo que la concentración de H3PO4
calculada es aproximada.
4 Conclusiones.
- Se determinó la concentración de una solución de H3PO4 la cual fue de 0,0967(±1,1035*10-3
)M
- Se determinó la concentración aproximada de H3PO4 en la Coca-Cola la cual fue de 0,0262 (±5,3409*10-3
)M
5 Bibliografía.
[1].Guía de laboratorio. Práctica I. Química Analítica IV. Preparación y estandarización potenciométrica de una
solución de NaOH aproximadamente 0,1 m
[2]. Skoog, West, Holler, Crouch. Fundamentos de química analítica. 8° Ed.