Titulaciones de ácido débil-base fuerte

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.