Análisis de mezclas de carbonatos

1. Objetivos

Aplicar los principios de la volumetría de neutralización en la determinación de la concentración de NaOH, NaHCO3, Na2CO3 o mezclas posibles que pueden encontrarse en una muestra problema teniendo en cuenta las diferentes sensibilidades de los indicadores anaranjado de metilo y fenolftaleína

Calcular el error absoluto y el error relativo de los resultados de las muestras alcalinas Reactivos: - Solución estándar de HCl 0,100 M. - Carbonato de sodio, Na2CO3, deshidratado (secado a 150 ºC por una hora). - Solución de una mezcla de Na2CO3/NaHCO3. - Solución de una mezcla de Na2CO3/NaOH. - Solución de indicador de fenolftaleína al 0,01 % m/v. - Solución de indicador de verde de bromocresol al 0,01 % m/v. - Muestras: - Puras: soluciones de mezclas de Na2CO3/NaHCO3 y Na2CO3/NaOH. - Reales: pastillas o polvos efervescentes como medicamentos antiácidos. Procedimiento: Estandarización de la solución de HCl (1) Pesar tres porciones de aproximadamente 0,1 g de Na2CO3 en beacker de 50 mL o papel para pesar. Trasferir a matraces volumétricos de 125 mL disolviendo con agua hasta un volumen de ≈ 25 mL. (2) Adicionar a cada una cinco (5) gotas del indicador fenolftaleína. (3) Titular las muestras con la solución de HCl hasta el cambio de color de azul a amarillo. (4) Medir el volumen de titulante gastado y determinar la concentración molar promedio de la solución de HCl (≈ 0,100 M). Titulación de las mezclas de carbonatos (1) Transferir tres (3) alícuotas de 25 mL de cada una de las mezclas problema, a fiolas de 125 mL. (2) Adicionar cinco (5) gotas del indicador fenolftaleína. (3) Titular las muestras con la solución estándar de HCl hasta el cambio de color de rosado a incoloro. Anotar el volumen gastado. (4) Adicionar cinco (5) gotas del indicador verde de bromocresol y continuar la titulación con HCl hasta la aparición del primer tono verde. (5) Calentar la solución en una plancha de calentamiento, agitando continuamente durante 3 minutos para eliminar el CO2 producido. (6) Enfriar la solución haciendo correr agua del grifo por la parte externa del matraz. (7) Continuar la titulación con la solución de HCl hasta el cambio de color a amarillo. Anotar el volumen gastado. (8) Determinar el tipo de mezcla a partir de la relación de volúmenes del HCl gastado y calcular la concentración (%) de los componentes. Titulación de las muestras efervescentes (1) Si las muestras efervescentes son pastillas, triturar antes de la disolución. (2) Disolver la muestra en polvo en aproximadamente 50 mL de agua.

(3) Transferir esta solución a un balón de 100 mL, disolviendo con agua la muestra restante. (4) Medir tres (3) alícuotas de 10 mL y transferir a matraces de 125 mL. (5) Adicionar cinco (5) gotas del indicador fenolftaleína. (6) Si se observa un color rosado tenue, titular las muestras con la solución estándar de HCl hasta la desaparición del color. Anotar el volumen gastado. (7) Adicionar cinco (5) gotas del indicador verde de bromocresol y continuar la titulación con HCl hasta la aparición del primer tono verde. (8) Calentar la solución en una plancha de calentamiento, agitando continuamente durante 3 minutos para eliminar el CO2 producido. (9) Enfriar la solución haciendo correr agua del grifo por la parte externa del matraz. (10) Continuar la titulación con la solución de HCl hasta el cambio de color a amarillo. Anotar el volumen gastado. (11) Determinar la composición de la muestra. Fundamentos

Las valoraciones de neutralización se utilizan para la determinación de un gran número de especies inorgánicas, orgánicas y bioquímicas que posean propiedades ácidas o básicas. Son igualmente importantes aquelas aplicaciones en que se dá un paso intermedio por el cual el analito se transforma en un ácido o una base para ser posteriormente valorada con una base o un ácido patrón.

Existen dos formas principales de detectar el punto final en las valoraciones de neutralización. La primera, basada en el cambio de color de un indicador. La segunda, implica el desarrollo experimental de la curva de valoración por medio de medidas del pH en función del volúmen de titulante.

Numerosas especies inorgánicas se pueden determinar titulándolas con ácidos o bases fuertes. Entre ellas destacan el ión amonio, nitratos y nitritos, y derivados del ácido carbónico. Un ejemplo de la aplicación de las titulaciones de neutralización constituye la determinación cualitativa y cuantitativa de los componentes de una solución que contenga carbonato de sodio, bicarbonato de sodio e hidróxido de sodio, solo o combinados.

Desde luego, sólo pueden existir en cantidades apreciables dos de los tres componentes, ya que el tercero se eliminará por reacción entre ellos. Por lo tanto, al mezclar soluciones que contengan hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio se formará carbonato de sodio hasta que uno u otro queden agotados. Si el hidróxido está en defecto, queda una mezcla de bicarbonato y carbonato; si está en exceso, la solución final contendrá sólo carbonato e hidróxido en concentraciones apreciables. Finalmente, si se mezclan cantidades equivalentes de los dos componentes el soluto principal será el carbonato de sodio.

Estas mezclas requieren para su análisis dos titulaciones: una utilizando un indicador de intérvalo de viraje alcalino (como la fenolftaleína) y la otra uno de intervalo ácido (como el anaranjado de metilo o verde de bromocresol). La composición de la solución se calculará a partir de los volúmenes relativos de ácido patrón necesarios para titular volúmenes iguales de muestras.

La siguiente Tabla 1 se muestra la relación de volúmenes en el análisis de mezclas que contienen hidróxido, carbonato y bicarbonato, utilizando el método de titulación sucesiva. El volumen V1 es la cantidad de ácido necesario para el viraje del indicador fenolftaleína, y V2 es el volumen de ácido gastado a partir de éste punto final hasta el viraje del indicador verde de bromocresol o anaranjado de metilo.

Tabla 1. Relación de volúmenes de ácido para la determinación de NaOH, Na2CO3 y NaHCO3 utilizando el método de titulación sucesiva.

Sustancia Relación de

volúmenes

NaOH V1 > 0 ; V2 = 0

Na2CO3 V1 = V2

NaHCO3 V1 = 0 ; V2 > 0

NaOH/ Na2CO3 V1 > V2

NaHCO3/ Na2CO3 V1 < V2

El primer pKa del ácido carbónico es de 6,34 y el segundo es 10,36, por lo que existe una diferencia de 4,02 unidades. En este caso se podría esperar una clara inflexión en la curva de titulación, pero Ka es tan pequeña que la inflexión en el primer punto de equivalencia es muy leve. Lo que se acostumbre entonces es titular el ion carbonato como una base, con un ácido fuerte como titulante y este caso se obtienen dios inflexiones claras. En el primer punto final el pH de la solución de NaHCO3 es ½ (pKa1 + pKa2) e igual a 8,35 y la fenolftaleína, cuyo rango de pH es de 8,0 a 9,6, es un indicador adecuado. El verde de bromocresol y el anaranjado de metilo tienen un rango de pH de 3,0 a 4,5 y son los indicadores apropiados para el segundo punto final. Una solución saturada de CO2 tiene un pH cercano a 3,9. Ninguno de los punto finales está bien delineado, pero el segundo se puede mejorar removiendo el CO2 hirviendo la solución y retitulando. Las mezclas de carbonato y bicarbonato, o de carbonato e hidróxido, se pueden titular con HCl estándar has los dos puntos finales que se mencionaron. En el punto final de la fenolftaleína el NaOH está completamente neutralizado, la mitad del Na2CO3 está neutralizado y el NaHCO3 no ha reaccionado. El bicarbonato se neutraliza en el punto final del segundo indicador. El NaOH requiere sólo unas gotas de titulante para cambiar de un pH 8 hasta un pH 4 y esto se puede corregir corriendo una prueba en blanco del indicador. En los siguientes esquemas se presenta las etapas por las cuales ocurre la neutralización de los componentes de las mezclas titulando con HCl.

En el caso del método de titulación sucesivo, cuando la mezcla es NaOH/Na2CO3, el primer punto final se obtiene cuando se ha gastado un volumen V1 de HCl hasta el cambio de color de la fenolftaleína. Este volumen consiste del volumen Va1 necesario para neutralizar el NaOH y el volumen Va2 necesario para neutralizar la mitad de los equivalentes del carbonato. El bicarbonato producido de esta reacción se titula seguidamente con HCl en presencia del segundo indicador, hasta gastar un volumen V2 para la neutralización de esta especie. La reacción global requiere en su totalidad de un volumen VT de HCl para el proceso completo. Siguiendo el mismo método, cuando la mezcla es NaHCO3/Na2CO3, el primer punto final se obtiene cuando se ha gastado un volumen V1 de HCl hasta el cambio de color de la fenolftaleína, para neutralizar la mitad de los equivalentes del carbonato. El bicarbonato producido de esta reacción y el bicarbonato presente inicialmente en la mezcla se titula seguidamente con HCl en presencia del segundo indicador, hasta gastar un volumen

Esquema de la titulación de una mezcla NaOH/Na2CO3

NaOH

Na2CO3NaCl

NaHCO3NaHCO3

NaCl

V1

V2

HCl

HCl

HCl

Va1

Va2VT

Viraje de la fenolftaleína

Se añade el segundo indicador

Se añade la fenolftaleína

Viraje del segundo indicador

Na2CO3

NaHCO3

NaCl

V1

V2

HCl

HCl

HCl

Vb1

Vb2

VT

Esquema de la titulación de una mezcla NaHCO3/Na2CO3

NaHCO3

NaCl

Viraje de la fenolftaleína

Se añade el segundo indicador

Se añade la fenolftaleína

Viraje del segundo indicador

V2 para la neutralización de estas especies. Este volumen consiste del volumen Vb1 necesario para neutralizar el NaHCO3 procedente del primer punto de equivalencia y el volumen Vb2 necesario para neutralizar el NaHCO3 presente en la muestra. La reacción global requiere en su totalidad de un volumen VT de HCl para el proceso completo. En el caso de utilizar el método de las dos muestras, donde se titulan muestras de igual volumen y se añade la fenolftaleína a una muestra y el segundo indicador (verde de bromocresol o anaranjado de metilo) a la segunda muestra, los volúmenes de HCl se pueden relacionar como se muestra en la Tabla 2. Tabla 2. Relación de volúmenes de ácido para la determinación de NaOH, Na2CO3 y NaHCO3 utilizando el método de titulación de dos muestras iguales.

Sustancia Relación de

volúmenes

NaOH V1 = VT

Na2CO3 V1 = ½VT

NaHCO3 V1 = 0 ; VT > 0

NaOH/ Na2CO3 V1 > ½VT

NaHCO3/ Na2CO3 V1 < ½VT

Siguiendo los esquemas de las titulaciones, el volumen V1 es la cantidad de HCl necesario para el viraje del indicador fenolftaleína adicionado a la primera muestra, y VT es el volumen de HCl gastado hasta el viraje del indicador verde de bromocresol o anaranjado de metilo adicionado a la segunda muestra. Como se puede apreciar en los esquemas, en el caso del método de las dos muestras, luego del primer punto final con fenolftaleína, no se adiciona el segundo indicador y se anota entonces el volumen V1. A la segunda muestra se le añade solamente el verde de bromocresol o anaranjado de metilo, y el volumen VT se anota cuando se obtiene el punto final de ese indicador. Para cualquiera de los casos que la mezcla corresponda a NaOH/Na2CO3 o NaHCO3/Na2CO3, la reacción global requiere en su totalidad de un volumen VT de HCl para el proceso completo. Cuestionario: 1. ¿Qué factores afectan el tener un punto final bien definido en una titulación ácido-base?. 2. ¿Por qué los indicadores ácido-base comunes exhiben un cambio de color en un intervalo aproximado de 2 unidades de pH?. 3. ¿Qué variables pueden ocasionar que cambie el intervalo de pH de un indicador?. 4. ¿Por qué los reactivos patrón primario empleados en las titulaciones de neutralización comúnmente son ácidos o bases fuertes y no ácidos o bases débiles?. 5. ¿Qué es una solución amortiguadora y cuáles son sus propiedades?. 6. La especie NaHA es una “sal ácida” porque tiene un protón que puede donar a una base. Dar una breve explicación de por qué un cálculo de pH de una solución de NaHA es distinto del que se aplica para un ácido débil tipo HA. 7. ¿Por qué no es posible apreciar definidamente los dos puntos finales del ácido carbónico, pero sí para el ion carbonato?. 8. Representar la curva de titulación de las mezclas NaOH/Na2CO3 y NaHCO3/Na2CO3 cuando es titulado con HCl estándar. Señalar los puntos de equivalencia la reacción correspondiente en cada caso.

9. Los puntos de ebullición del HCl y CO2 son casi iguales (-85 y -78 ºC). Explicar por qué el hervir brevemente una solución acuosa se puede eliminar el CO2 pero no el HCl, aun cuando la solución se calienta durante más de una hora. 10. ¿Por qué no se emplea HNO3 para preparar soluciones ácidas patrón?. 11. ¿Porqué no se utiliza el H2SO4 como solución estándar para la titulación de las mezclas de carbonatos?. 12. Mencione dos patrones primarios que pueden utilizarse para la estandarización de HCl y NaOH. 13. ¿Cuáles son las propiedades que debe cumplir un patrón primario para ser utilizado en una titulación ácido-base?. 14. ¿En qué consiste la estandarización?. Menciones varios formas de realizar este procedimiento. 15. Explique, a través de las estructuras químicas, el cambio de color de los indicadores fenolftaleína, verde de bromocresol y anaranjado de metilo con el pH. 16. ¿Qué es un indicador ácido-base?. ¿Qué propiedades debe cumplir?. 17. ¿Cuál es la diferencia entre punto final y punto de equivalencia?. 18. ¿Cuál es la relación entre el punto de equivalencia y la relación estequiométrica de la reacción?. 19. Defina los siguientes términos: título, titulación, agente titulante, solución estándar, patrón primario. 20. ¿Cuál es la desventaja analítica de los métodos volumétricos?. 21. Explique ¿qué relación debe existir entre el Ka de la especie titulada y del indicador en la volumetría ácido base?. 22. ¿Cuáles son las causas que pueden originar un error por exceso o defecto en los método volumétricos ácido-base?. 23. Haciendo uso de los esquemas de las reacciones de titulación de las mezclas de carbonatos, obtenga una expresión matemática para determinar los moles de los componentes para el método de titulación sucesiva y de las dos muestras, a través de la relación de los volúmenes de HCl necesarios para alcanzar el punto final de los dos indicadores.

Determinación de la acidez total en jugos de fruta

1. Objetivos

Determinar el porcentaje de acidez en jugos Determinar el grado de acidez titulado. Determinar el tipo de ácido que predomina en estas frutas

MATERIALES

Erlenmeyer de 100mL Cilindro de 10mL Soporte Universal Pinzas Bureta

REACTIVOS Agua destilada Naranja Mandarina Jugo comercial (cifrut) Fenolftaleína, 0,01 % m/v Hidróxido de Sodio (NaOH), 0,1 M Biftalato de potasio, (C8H5O4K)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Preparación y estandarización de una solución 0,25 N de NaOH por pesada directa del patrón primario biftalato de potasio

1. Calcular los gramos necesarios de hidróxido de sodio para preparar 250 mL de solución de NaOH 0,1 M. Pesar la cantidad calculada, transferirlos a un vaso de precipitados de 50 mL, disolver con un poco de agua destilada y luego transferir el contenido a un matraz aforado de 250 mL. Recuerde llenar parcialmente el matraz con agua destilada antes de agregar los gramos de NaOH. Enrasar con agua destilada hasta el aforo (no se debe completar a volumen hasta que la solución esté fría). Trasvasar a un frasco plástico limpio y rotular.

2. Titulación o estandarización de la solución de NaOH anteriormente preparada por pesada directa del patrón primario biftalato de potasio:

a) Secar por 3 horas el biftalato de potasio. Luego pesar con una muestra aproximada de 0,5 g y pasarlos cuantitativamente a un vaso de precipitados de 50 mL, disolver con un poco de agua destilada y luego transferir el contenido a un matraz erlenmeyer, disolverlos en 50 mL de agua destilada y agregar 2 gotas de solución indicadora fenolftaleína (solución al 0,1% p/v en etanol). b) Desde una bureta agregar gota a gota la solución de NaOH 0,1 M preparada, agitando durante la adición, hasta la aparición de un color rosa permanente. Anotar el volumen gastado. Calcular la

molaridad de la solución de NaOH que se preparó. Informar el resultado con su desviación estándar y expresar la concentración con el número correcto de cifras significativas.

1. Exprimir las frutas en estudio 2. Filtrar para eliminar residuos sólidos de la fruta. 3. Medir 1 mL del jugo por triplicado y trasvasar a erlenmeyers de 250 mL 4. Adicionar 9 mL de agua destilada a cada muestra y mezclar 5. Adicionar 3 gotas del indicador fenolftaleína a cada muestra 6. Titular con la solución de NaOH hasta el cambio de color del indicador 7. Anotar volumen gastado.