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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 8
Lección 6: Titulación ácido-baseTitulaciones de ácido débil-base fuerte
Para la titulación de un ácido débil con una base fuerte, la curva de pH es inicialmente ácida y tiene un punto equivalencia básico (pH > 7). La sección de curva entre el punto inicial y el punto de equivalencia se conoce como región amortiguadora. En el punto de equivalencia media, las concentraciones de los componentes del amortiguador son iguales, lo que resulta en pH = pKₐ. Creado por Jay.
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Transcripción del video
El ácido acético es un ejemplo de
un ácido débil, y el hidróxido de sodio es un ejemplo de una base fuerte.
Si valoramos una muestra de ácido acético con hidróxido de sodio, el ácido acético
sería el analito, es decir, la sustancia que estamos analizando, y el hidróxido
de sodio sería el titulante o valorante. Cuando el ácido acético
reacciona con hidróxido de sodio, los productos son acetato
de sodio en solución acuosa y agua. Analicemos ahora la ecuación
iónica completa para esta reacción: Debido a que el ácido acético es un ácido débil, no se ioniza completamente en solución acuosa,
por lo tanto, en la ecuación iónica completa, simplemente escribimos la fórmula del ácido
acético, esto es, no lo mostramos ionizado. En cambio, el hidróxido de
sodio es una base fuerte, porque se disocia completamente
en solución acuosa. de esta forma en la ecuación representamos
sus iones, Na+ y OH- (Na más y OH menos). Dado que el acetato de sodio es
una sal soluble en solución acuosa, escribimos las fórmulas del
catión sodio y el anión acetato, y también deberíamos incluir agua
en la ecuación iónica completa. Ahora bien, para la ecuación iónica neta
dejamos fuera los iones espectadores. Ya que los cationes sodio están en el lado izquierdo
y derecho de la ecuación, se anulan y obtenemos así la ecuación iónica neta para este ejemplo de
valoración o titulación ácido débil-base fuerte: el ácido acético reacciona con aniones
hidróxido para formar el anión acetato y agua. A continuación, examinemos el perfil de pH o
curva de valoración para este ejemplo. El pH está en el eje y, y ya que estamos agregando
la base fuerte a la solución de ácido débil, los mililitros de solución de NaOH (hidróxido
de sodio) añadidos están en el eje x. Utilicemos diagramas de partículas
para ayudarnos a descubrir lo que está pasando en cada punto de la valoración.
Toma en cuenta que estos diagramas solo están destinados a representar qué ocurre en la
solución durante el proceso de valoración, y para simplificar la explicación,
las moléculas de agua no se mostrarán. Para el primer diagrama de partículas,
solamente hay ácido acético presente, representado por estas dos partículas,
Es decir, representa la solución de ácido acético antes de que se haya
agregado cualquier cantidad de la base. Así que, en la curva de valoración, nos encontramos en este punto, en
cero mililitros de base agregada. Posteriormente, agregamos un
poco de hidróxido de sodio a la solución de ácido acético.
Para el hidróxido de sodio, la esfera rosa representa el catión
sodio. Así, pensemos que agregamos un catión sodio y también un anión hidróxido.
Recuerda que, en la ecuación iónica neta, el anión hidróxido reacciona con el ácido
acético para formar el anión acetato y agua. Dado que el agua se deja fuera de los diagramas,
no la vemos en el segundo diagrama de partículas. Sin embargo, sí representamos
el anión acetato que se formó cuando el anión hidróxido reaccionó
con una partícula de ácido acético. En el segundo diagrama de partículas,
representamos el catión sodio que se agregó y la partícula de ácido acético que estaba
presente inicialmente y que no reaccionó. Ya que comenzamos con dos
partículas de ácido acético y solo nos queda una en el
segundo diagrama de partículas, significa que la mitad del ácido
inicial ha sido neutralizado. Por lo tanto, este segundo diagrama de partículas
tiene como objetivo representar el punto medio de equivalencia en la valoración de
un ácido débil con una base fuerte. A continuación, agregamos
suficiente hidróxido de sodio para neutralizar la mitad restante del
ácido que inicialmente estaba presente en la solución. La partícula de ácido
acético reacciona entonces con el anión hidróxido para formar agua y el anión acetato. Recuerda que el agua se deja
fuera del diagrama de partículas, por lo que una vez más no vemos agua en el
tercer diagrama de partículas. Sin embargo, sí representamos el anión acetato que se
formó, así como el catión sodio que se agregó. Y en el punto medio de equivalencia, ya
teníamos un catión sodio y un anión acetato, así que podemos ver también estas
partículas en el tercer diagrama. Si comparamos el tercer
diagrama con el primer diagrama, todo el ácido que estaba presente
inicialmente ha sido neutralizado. Por lo tanto, el tercer diagrama de partículas representa el punto de
equivalencia de la valoración. Podemos estimar el punto de equivalencia en
la curva de valoración buscando la región donde la curva sube casi verticalmente
y hay un incremento pronunciado del PH. Justo aquí. Un buen lugar para marcar el punto de
equivalencia es aproximadamente a la mitad de este segmento vertical. Dibujemos líneas
hacia los ejes x y y que comiencen en este punto. La línea que trazamos desde la estimación
del punto de equivalencia y que interseca al eje y nos da un valor aproximado del
pH para esta valoración ácido débil-base fuerte. Parece ser un poco más de ocho,
un valor entre ocho y nueve. Por lo tanto, el pH de la solución en el punto
de equivalencia es mayor que siete. El hecho de que el pH sea mayor a siete se debe
a que, en el punto de equivalencia, hay aniones acetato en solución que
reaccionan con agua para formar aniones hidróxido y ácido acético.
A esto se le llama hidrólisis del anión. Es decir, el pH del agua a
25 grados Celsius es siete, pero como hemos aumentado
la concentración de aniones hidróxido en la solución debido
a la hidrólisis del ion acetato, el pH será mayor que siete
en el punto de equivalencia para esta valoración ácido débil-base fuerte y
en general es así para este tipo de valoraciones. Volviendo a la curva de valoración
en el punto de equivalencia, consideramos ahora la línea
que interseca al eje x, Y podemos ver que se ha alcanzado
el punto de equivalencia después de que se agregaron
50 mililitros de la base. Esto es, si se necesitan 50 mililitros de la
base para alcanzar el punto de equivalencia, debería tomar la mitad de ese volumen alcanzar
el punto medio de equivalencia, por lo tanto, se alcanza el punto de equivalencia media.
después de que se agregaron 25 mililitros de base. Entonces, si trazamos una línea desde
25 mL hasta la curva de valoración, podemos marcar la ubicación aproximada del punto medio de equivalencia.
Así que conectemos con una línea el punto medio de equivalencia con el punto
correspondiente en la curva de valoración. Volvamos al tercer diagrama de
partículas que representa el punto de equivalencia y agreguemos un poco
más de hidróxido de sodio en la solución. Como en esta etapa ya no hay más
ácido acético para reaccionar con el hidróxido de sodio, en el
cuarto diagrama de partículas, representamos el catión sodio y el
anión hidróxido que se agregaron. En el punto de equivalencia,
teníamos dos cationes de sodio, así que aquí están en el
cuarto diagrama de partículas, además de dos aniones acetato que también están
presentes. Por lo tanto, en el cuarto diagrama de partículas se representa el exceso de
base más allá del punto de equivalencia. Realicemos un resumen del comportamiento de
la curva de valoración: comenzamos sólo con ácido débil, por lo que el pH era relativamente
bajo; a medida que agregamos la base fuerte, el pH aumenta lentamente, y llegamos al
punto medio de equivalencia, donde la mitad de los moles del ácido débil que estaban
presentes inicialmente han sido neutralizados; observa cómo el pH está cambiando muy lentamente
en esta región de la curva de valoración; a medida que continuamos agregando más
y más base, el pH sigue aumentando; y alrededor del punto de equivalencia,
observamos un dramático aumento de este parámetro; cuando pasamos el punto de equivalencia,
estamos en la región de exceso de base, donde observamos que el pH sigue aumentando a
medida que añadimos más y más aniones hidróxido. Durante la titulación o valoración de
un ácido débil con una base fuerte, se forma de hecho una solución
amortiguadora o tampón. Así que veamos más detalles de la región de
amortiguación en la curva de valoración. El área donde se tiene un sistema amortiguador
o región de amortiguación se produce alrededor del punto medio de equivalencia. Podemos
corroborar este hecho en la curva de valoración: observa la poca variación en el pH a medida que
agregamos aniones hidróxido en este intervalo. Esto se debe a que el ácido débil que está
presente en la solución está neutralizando la base agregada resistiendo
un cambio drástico en el pH. Es posible calcular el pH en
el punto medio de equivalencia porque sabemos que en este punto la
mitad del ácido que estaba presente al inicio de la valoración ha sido
neutralizado y y se ha transformado en su base conjugada. Por lo tanto,
en el punto medio de equivalencia, la concentración del ácido débil es igual
a la concentración de la base conjugada. Con esta información, utilizaremos la ecuación
de Henderson-Hasselbalch para determinar del pH: Si la concentración del ácido débil es igual
a la concentración de la base conjugada, entonces la división de sus
concentraciones es igual a uno y el logaritmo de uno es cero. Por lo tanto, el pH es igual al valor del pKa del ácido
débil en el punto medio de equivalencia. Así que si quisiéramos encontrar el valor del pKa de un ácido débil a partir
de la curva de titulación, simplemente tendríamos que hallar el punto medio
de equivalencia y leer su valor en el eje y, porque en este punto, el pH de la solución
es igual al valor del pKa del ácido débil, de acuerdo con el análisis de la
ecuación de Henderson-Hasselbalch. Ahora, pensemos en cómo la curva de titulación
puede darnos información sobre las concentraciones relativas
del ácido débil y su base conjugada. Sabemos que el pH es igual al valor del pKa
en el punto medio de equivalencia, lo cual remarcamos en la curva de valoración.
También sabemos que, en este punto, la concentración del ácido débil
es igual a la concentración de su base conjugada. Ahora bien, piensa en un punto justo a la izquierda del
punto medio de equivalencia, señalado aquí en el perfil de pH y que
identificaremos como punto P. Como puedes observar, el pH del punto P es menor
que el valor del pKa del ácido débil. Recuerda además que en el inicio de la curva de valoración teníamos únicamente
partículas del ácido débil. Por lo tanto, ya que el punto
P está entre el punto inicial —donde todo es ácido— y el
punto medio de equivalencia —donde tenemos cantidades iguales
de ácido débil y su base conjugada—, en el punto P se tiene una mayor cantidad
de ácido débil que de su base conjugada. Por lo anterior, podemos afirmar que cuando el pH es menor que el valor del pKa,
la concentración del ácido débil es mayor que la concentración
de su base conjugada. También podríamos haber descubierto este hecho
usando la ecuación de Henderson-Hasselbalch, sin embargo, a menudo es más simple. sólo
analizar la forma de la curva de valoración. A continuación, piensa en un
punto a la derecha del punto medio de equivalencia, al cual llamaremos punto Q. En el punto Q, el pH de la solución es
mayor que el valor del pKa del ácido débil. Así que para tratar de determinar las
concentraciones relativas del ácido débil y su base conjugada en el punto Q,
hay que tener en cuenta que el punto Q se encuentra entre
el punto medio de equivalencia y el punto de equivalencia,
que está justo aquí en la curva de valoración. En el punto de equivalencia, no hay más
partículas del ácido débil presentes, porque todo ha sido neutralizado y en consecuencia
sólo queda la base conjugada A- (A menos). Dado que el punto Q está entre
el punto medio de equivalencia —donde hay cantidades iguales del
ácido débil y su base conjugada—, y el punto de equivalencia —donde solo hay base
conjugada— podemos concluir que en el punto Q, se tiene una mayor cantidad de
base conjugada que de ácido débil. Es decir, cuándo el pH de la solución es mayor que
el valor del pKa del ácido débil, la concentración del ácido débil es menor que la concentración
de su base conjugada, o dicho en otras palabras, la concentración de la base conjugada es
mayor que la concentración del ácido débil. Finalmente, hablemos de por qué se forma una
solución amortiguadora en esta titulación. Cuando la valoración comenzó, todas las partículas
presentes correspondían al ácido débil; por lo tanto, no teníamos una solución amortiguadora o
tampón en esta etapa. Sin embargo, a medida que la base fuerte se agrega a la solución del ácido
débil, éste se convierte en su base conjugada. Y cuando hay cantidades significativas del
ácido débil y su base conjugada en la solución, entonces ahora sí tenemos
una solución amortiguadora. Justamente eso es lo que observamos
en la curva de valoración: la solución es capaz de resistir cambios
considerables de pH en esta región. Sin embargo, a medida que continuamos agregando
mililitros de la base, las concentraciones del ácido débil y su base conjugada cambian, y,
eventualmente, ya no tendremos una solución amortiguadora, por lo que los valores de pH
cambian de forma más rápida en este punto. De esta forma, la región de amortiguación
o zona de amortiguación se encuentra justo alrededor del punto medio de
equivalencia en la curva de valoración.