Titulaciones con ácidos débiles o bases débiles

Titulaciones

¿Alguna vez ha tomado un antiácido como Tums o Rolaids para calmar los efectos de una comida picante o ácida? Los antiácidos son bases que reaccionan con los ácidos del estómago para producir un producto neutro que ayudará a disminuir la sensación de ardor en el estómago. El tipo de reacción química que se produce se denomina reacción de neutralización.

Los químicos usan reacciones de neutralización para analizar soluciones ácidas o básicas en una técnica llamada titulación. Durante la titulación , se utiliza una solución de propiedades conocidas (denominada titulante ) para analizar las propiedades de una solución desconocida. Se pueden realizar titulaciones para determinar la concentración inicial de la solución desconocida o para medir cambios en el pH a medida que ocurre la titulación.

Imagínese que tiene que tomar tres tabletas de antiácido para neutralizar el ácido del estómago. El punto en el que se produce la neutralización se denomina punto de equivalencia . Esto se describe mejor químicamente como el punto en el que se han agregado cantidades iguales de ácido y base para crear una solución neutra. El punto de equivalencia es el punto más importante de una titulación porque nos da información acerca de la cantidad desconocida presente. Idealmente, el punto de equivalencia es el mismo que el punto final o el punto de parada de una titulación.

Desafortunadamente, no podemos sentir el punto final de una titulación como lo hacemos cuando estamos tomando antiácidos. En cambio, necesitamos usar una solución indicadora o hacer algunos cálculos matemáticos para predecir el pH en el punto de equivalencia. Una solución indicadora es una solución química especial que cambia de color dentro de rangos de pH específicos. Si sabemos qué tipos de ácidos o bases estamos titulando, podemos elegir un indicador específico para ayudarnos a encontrar nuestro punto final. Si conocemos la identidad de los ácidos y las bases que estamos titulando y sus concentraciones, podemos hacer cálculos matemáticos para predecir el pH en el punto de equivalencia.

Curvas de titulación

Los datos recopilados durante la titulación se pueden utilizar para crear una curva de titulación o un gráfico de pH frente a mililitros de titulante añadido. Todas las curvas de titulación tienen características similares; para mí, todos parecen diapositivas. Como muchas diapositivas, las curvas de titulación comienzan con una pendiente suave y gradual inicialmente, dramática en el medio y luego suave al final. El punto de equivalencia ocurre en medio de la dramática pendiente.

Una titulación en la que se titula un ácido débil con una base fuerte se verá así:

Curva de valoración para ácido débil con base fuerte

Un tobogán modelado a partir de esta curva sería un paseo más suave. Los valores de pH iniciales son más bajos, los valores de pH finales son más altos, las pendientes de las líneas no son tan dramáticas y el punto de equivalencia es superior a siete.

Una titulación en la que se titula una base débil con un ácido fuerte se verá muy similar a la curva de titulación anterior, excepto al revés. El pH inicial será relativamente alto y el pH final será relativamente bajo, pero no tan extremo como si se tratara de una valoración entre una base fuerte y un ácido fuerte. Las pendientes de las líneas no son tan empinadas y el punto de equivalencia ocurre por debajo de siete.

Observe que cuando se titula un ácido con una base, el pH aumenta de izquierda a derecha. Cuando se titula una base con un ácido, el pH disminuye de izquierda a derecha. Si hay un ácido o una base débil en la titulación, las pendientes siempre serán más suaves que si ambas sustancias fueran ácidos y bases fuertes. Si desea obtener más información sobre las valoraciones ácido-base fuertes, consulte nuestro video.

pH durante la valoración de ácido débil / base fuerte

Determinar el pH de un ácido o base débil que se valora con un ácido o base fuerte es un proceso que requiere mucha mano de obra. Si ha visto el video sobre valoraciones con ácidos fuertes o bases fuertes, ya está familiarizado con la mayor parte de este proceso. Para determinar el pH en una titulación que involucra un ácido débil o una base débil haremos:

1. Determine el número de moles de cada reactivo presente.
2. Determine qué reactivo está en exceso
3. Luego, use la estequiometría y los valores de Ka (o valores de Kb) para determinar la concentración de iones de hidrógeno y el pH (dividiremos este paso en tres pasos más pequeños más adelante)

Imagine que estamos titulando una muestra de ácido acético (HC2H3O2, Ka 1.8 * 10 ^ -5), con NaOH como nuestro titulante. Nuestra muestra de ácido acético es de 1,5 M y 50 mL; nuestro NaOH tiene una concentración de 1 M. Queremos saber cuál será nuestro pH después de agregar 5 ml de titulante. El ácido acético reacciona con NaOH en una proporción de 1: 1 para producir agua y acetato de sodio. El ion acetato es una base conjugada relativamente fuerte y afecta el pH.

Paso 1. Determine la cantidad de moles de cada reactivo presente:

El número inicial de moles de nuestros reactivos se puede encontrar multiplicando la molaridad por el volumen. En aras de la simplicidad, me referiré al compuesto HC2H3O2 como ácido acético.

Ácido acético 1,5 M * ácido acético 0,050 L = 0,075 moles de ácido acético

NaOH 1 M * 0,005 L NaOH = 0,0050 moles de NaOH

Para simplificar, solo voy a llamar a NaOH, OH-.

Paso 2. Determine qué reactivo está en exceso:

Tenemos significativamente menos OH- que ácido acético, por lo que el pH se basará en la cantidad de ácido acético restante. Como en el problema anterior, la base agregada reaccionará completamente con el ácido débil. Esto nos dejará sin OH- y con 0.070 moles de ácido acético.

0,075 moles de ácido acético – 0,005 moles de ácido acético <=> OH- = 0,070 moles restantes

¡Ahora, las cosas se van a complicar un poco! Hemos determinado la cantidad de ácido acético en solución e identificado esa especie como el principal contribuyente al pH. Pero el ácido acético es un ácido débil, ¡así que solo se disocia un poquito! Además, la reacción entre el ácido acético y el NaOH produjo el ion acetato, que afecta el pH.

Para abordar el tercer paso, utilizaremos una tabla ICE para ayudarnos a organizar nuestros cálculos y conceptos. Una capa de hielo significa que nitial (concentración), C ambiar (en la concentración), y E Quilibrium (concentración). Se parece a esto:

A menudo aumento mis tablas ICE con una fila adicional en la parte superior donde escribo mis reactivos y productos. Me ayuda a realizar un seguimiento de las especies químicas involucradas. El objetivo de una tabla ICE es averiguar la concentración de equilibrio de una especie después de que ha sufrido un cambio. En este caso, el cambio es la disociación del ácido acético. La especie que nos interesa es el ion hidrógeno.

El paso 3 se puede dividir en tres partes:

3a. Llenar la tabla ICE

3b. Escribir la expresión de equilibrio para la disociación del ácido.

3c. Conectando las concentraciones de equilibrio determinadas en la tabla ICE a la expresión de equilibrio y resolviendo la concentración de iones de hidrógeno

La expresión para la disociación del ácido acético es HC2H3O2 <=> H + + C2H3O2-. Pongo toda esta información en la fila superior de mi tabla ICE:

Sé por el paso 2 que tengo 0.070 moles de ácido acético. También sé que la reacción inicial entre NaOH y ácido acético produjo parte del ion acetato. Debido a que el NaOH y el ácido acético reaccionan en una proporción de 1: 1, la cantidad de ión acetato producido debe ser igual a la cantidad de OH que reaccionó, 0.0050 moles. Las tablas ICE expresan cantidades de sustancias químicas en términos de concentración. Para encontrar la concentración, divido los moles por el volumen total, 0.055 L.

Inicialmente, no tenemos iones de hidrógeno, ¡pero no por mucho tiempo! La disociación del ácido acético producirá iones de hidrógeno. La cantidad producida depende de la constante de disociación y la presencia del ion acetato. La presencia del ión acetato evitará que el ácido acético se disocie tanto.

Para completar la siguiente fila, dejaremos que el número de iones de hidrógeno producidos a partir de la disociación del ácido acético sea igual a x . Dado que la disociación ocurre en una proporción de 1: 1, el número de iones de hidrógeno y acetato producidos será igual al número de partículas de ácido acético.

La cantidad de ácido acético disminuirá en x , mientras que la cantidad de iones de hidrógeno y acetato aumentará en x .

Ahora que tenemos las concentraciones de equilibrio, podemos resolver x poniendo estos valores en la expresión de equilibrio para la disociación de un ácido débil. Si no recuerda cómo hacer esto, mire el video sobre los valores Ka y Kb.

Sabemos que Ka para el ácido acético es 1.8 * 10 ^ -5, y que la expresión de equilibrio es Ka = [iones hidrógeno] [iones acetato] / [ácido acético].

Si introducimos toda la información sobre las condiciones de equilibrio, tenemos 1.8 * 10 ^ -5 = [ x ] ((0.005 mol / 0.055 L) + x ) / ((0.070 mol / 0.055 L) – x ).

¡Qué asco! Mira cuántas veces x aparece en esta expresión. ¡Resolver para x podría llevar una eternidad! En cambio, hagamos algunas suposiciones sobre el valor de x .

El valor Ka de x es realmente pequeño, lo que significa que la fracción de partículas de ácido acético que realmente se disocian probablemente sea muy pequeña. Este número es tan pequeño que es seguro ignorar el impacto que tendrá en nuestras concentraciones iniciales de ácido acético y acetato. Resolveremos esta ecuación solo para la x que representa la concentración de iones de hidrógeno.

1.8 * 10 ^ -5 = [ x ] [(0.0050 mol / 0.055 L)] / [(0.070 mol / 0.055 L)]

Eso se ve mucho mejor. Según esta operación, x = 2.5 * 10 ^ -4 M.

Este fue un buen movimiento porque el valor de x era menos del cinco por ciento de la concentración inicial de ácido acético. La regla para aproximaciones como estas se conoce como la regla del 5%. Ahora, podemos ingresar esto en nuestra expresión de pH:

pH = -log [2.5 * 10 ^ -4] = 3.6

¡Qué maravilla! ¡Pero lo logramos!

Resumen de la lección

Las valoraciones se utilizan en química ácido-base para analizar las propiedades de una solución desconocida. En una titulación, se agrega un valorante (una solución con propiedades conocidas) a una solución de propiedades desconocidas. El punto de equivalencia es el punto en el que se han agregado cantidades iguales de ácido y base para crear una solución neutra. El punto final es el punto de parada de una titulación. Idealmente, el punto final de una titulación es el punto de equivalencia. Una curva de valoración es un gráfico que muestra cómo cambia el pH a medida que se añade el valorante a la solución desconocida. Todas las titulaciones se ven similares. El pH inicial cambia gradualmente, luego de manera abrupta y luego gradualmente nuevamente.

Las valoraciones entre ácidos débiles y bases fuertes o ácidos fuertes y bases débiles producen curvas de valoración menos dramáticas. Las valoraciones entre ácidos débiles y bases fuertes tienen puntos de equivalencia superiores a siete. Las valoraciones entre ácidos fuertes y bases débiles tienen puntos de equivalencia por debajo de siete. Al determinar el pH durante una titulación que involucra una base débil o un ácido débil, siga estos cinco pasos:

Paso 1. Determine los moles de cada reactivo presente.

Paso 2. Determine qué reactivo está en exceso

Paso 3a. Llenar la tabla ICE

Paso 3b. Escribir la expresión de equilibrio para la disociación del ácido.

Paso 3c. Conectando las concentraciones de equilibrio determinadas en la tabla ICE a la expresión de equilibrio y resolviendo la concentración de iones de hidrógeno

Los resultados del aprendizaje

Si memoriza los detalles de esta lección en video, podrá posteriormente:

• Entender lo que sucede durante la titulación
• Recite los significados de los términos que incluyen titulante, punto de equivalencia y punto final.
• Reconocer cómo se ve una curva de titulación y saber leer una
• Enumere los pasos para determinar el pH durante una titulación de una base débil o un ácido débil.