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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 8
Lección 6: Titulación ácido-baseTitulaciones de base débil-ácido fuerte
Para la titulación de una base débil con un ácido fuerte, la curva de pH es inicialmente básica y tiene un punto equivalencia ácido (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 (donde pKₐ se refiere al ácido conjugado de la base débil). Creado por Jay.
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Transcripción del video
El amoníaco es un ejemplo de una base débil
y el ácido clorhídrico es un ejemplo de un ácido fuerte.
Si realizamos una valoración base débil-ácido fuerte con
estos compuestos, el amoníaco es el analito, es decir, la sustancia que estamos analizando,
y el ácido clorhídrico es el valorante o titulante; dicho de otra forma, el
amoniaco se titula con ácido clorhídrico. Cuando el amoníaco reacciona
con ácido clorhídrico, el producto es cloruro de
amonio en solución acuosa. En la ecuación iónica completa o general, como el
amoníaco es una base débil, se muestra como NH3. En cambio, el ácido clorhídrico es un ácido
fuerte que se ioniza completamente, por lo que lo mostramos como sus iones separados, H+ y Cl-.
El cloruro de amonio es una sal soluble, así que representamos al cloruro de amonio en solución
acuosa como cationes amonio y aniones cloruro. Para escribir la ecuación iónica neta,
dejamos fuera a los iones espectadores. Como tenemos aniones cloruro en el
lado izquierdo y en el lado derecho, los aniones cloruro son los iones
espectadores, los cuales se anularán para obtener la ecuación iónica neta,
que es amoníaco NH3 más H+ forma NH4+. Así que esta es una forma de
escribir la ecuación iónica neta para la titulación o valoración base
débil-ácido fuerte que estamos analizando. A continuación, centraremos la atención
en la curva de valoración o perfil de pH . La gráfica muestra al pH en el eje y
y los mililitros de ácido en el eje x, porque se agrega ácido clorhídrico a
la solución acuosa de la base débil. En el primer punto de la curva de valoración,
podrás observar que el pH es relativamente básico, lo que corresponde a la solución de
amoniaco antes de que se haya agregado alguna cantidad de ácido fuerte.
Es decir, la razón por la que el pH es básico es porque tenemos una
solución acuosa de la base débil, que reacciona con agua para producir
cationes amonio y aniones hidróxido, y son estos aniones los que causan un
un alto valor de pH relativamente alto. Sin embargo, el equilibrio
favorece a los reactantes para esta reacción, por lo
que tenemos principalmente amoniaco y muy poco amonio en este
punto de la curva de titulación. Imagina que ahora agregamos un poco de
ácido a la solución acuosa de amoniaco. De la ecuación iónica neta, sabemos
que cuando el amoniaco reacciona con H+ (H más), forma el catión amonio, NH4+. Cuando observamos la curva de valoración, podemos
notar que a medida que añadimos más y más ácido, el pH comienza a disminuir, aunque en este
rango, la disminución del pH es más lenta. A medida que se agrega más ácido, más
amoniaco se convierte en el catión amonio. Eventualmente, llegamos a un punto
donde todo el amoniaco inicial ha sido neutralizado por la adición del ácido.
Este punto se denomina punto de equivalencia. Una forma de encontrar el punto de equivalencia
en la curva de valoración, es buscar primero esta drástica disminución en el pH.
Luego podemos trazar una línea recta aquí, y aproximadamente a la mitad de esta línea recta
tenemos una buena estimación del punto de equivalencia
para esta titulación. Para encontrar el pH de la solución
en el punto de equivalencia, simplemente leemos el valor correspondiente
en el eje y, así, observamos que el pH en el punto de equivalencia
es menor que siete. Así que permítanme seguir
adelante y escribir eso aquí: El pH es inferior a siete
en el punto de equivalencia para una titulación base débil-ácido fuerte. La razón por la que el pH es
menor que siete en el punto de equivalencia es porque todo el
amoniaco con el que comenzamos ha sido neutralizado completamente y
convertido en el catión amonio, NH4+. El catión amonio es un ácido débil y reacciona con agua para formar iones hidronio,
H3O+, y amoniaco en solución acuosa. A 25 grados centígrados, el agua
tiene un pH de siete, sin embargo, considera que el catión amonio es un ácido débil y que estamos aumentando la concentración de iones
hidronio en la solución, lo cual disminuye el pH, por esta razón, el pH es inferior a
siete en el punto de equivalencia. Además de los iones amonio, también hay
aniones cloruro en la solución, no obstante, los aniones cloruro no reaccionan con agua,
y por lo tanto no afectan el valor del pH. Volviendo al punto de equivalencia
en la curva de valoración, cuando leemos el valor correspondiente
en el eje x, podemos ver que el punto de equivalencia se alcanza después
de añadir 50 mililitros de ácido. Por lo tanto, si se necesitan 50 mililitros
de ácido para neutralizar todo el amoniaco que estaba presente inicialmente, la mitad
de ese volumen o 25 mililitros de ácido neutralizarían la mitad de la
cantidad de amoniaco inicial. Si dibujamos una línea
discontinua desde 25 mililitros a la curva de valoración, encontramos este punto en el perfil que representa el
punto medio de equivalencia. Por lo que este punto corresponde al punto
medio de equivalencia en la curva de valoración. Como se mencionó, en el punto medio
de equivalencia hemos neutralizado la mitad del amoniaco que estaba presente
inicialmente, y eso significa que en este punto hay concentraciones iguales
de amoniaco y del catión amonio. Volvamos ahora al punto de equivalencia donde todo el amoniaco con el que
empezamos ha sido neutralizado. De esta forma, si añadimos un
poco más de ácido a la solución, ya no hay más amoniaco con el que reaccionar
y entonces observamos una disminución del pH. Por lo que esta parte de la curva de valoración
es la región de exceso de valorante ácido. Regresemos ahora al punto medio de equivalencia
en la curva de valoración. Recuerda en ese punto, la
concentración de catión amonio es igual a la concentración de amoniaco. El catión amonio y el amoniaco
son un par ácido-base conjugado. Y cuando hay cantidades significativas
de un par ácido-base conjugado débil, se tiene entonces una solución amortiguadora. Por lo tanto, en el punto medio de equivalencia,
al existir una solución de este tipo, es posible calcular el pH utilizando
la ecuación de Henderson-Hasselbalch. La ecuación establece que el pH es igual
al pKa del ácido débil, más el logaritmo de la concentración de la base conjugada,
dividido por la concentración del ácido débil. Para este ejemplo, la base es amoniaco, NH3, y
el ácido conjugado es el catión amonio, NH4+. Por lo tanto, el valor pKa en la
ecuación de Henderson-Hasselbalch se refiere al valor pKa del amonio. Y debido a que las concentraciones
de amonio y amoniaco son iguales en el punto medio de
equivalencia, la división de sus concentraciones es igual a uno, y, por
lo tanto, el logaritmo es igual a cero. Encontramos entonces que, en
el punto medio de equivalencia, el pH es igual al valor pKa del ácido débil. De modo que si queremos determinar el pKa
del catión amonio, primero tenemos que encontrar el punto medio de equivalencia
y después dibujar una línea punteada desde este punto hacia el eje y; el valor de pH que
leamos en la línea será igual al pKa del amonio. Para este caso, parece ser un poco más de nueve, lo cual es una buena estimación
para el valor pKa del catión amonio. A continuación, pensemos en cómo la curva
de valoración puede darnos información sobre las concentraciones relativas del par
ácido-base conjugado débil del experimento. Sabemos queque, en el punto medio de equivalencia,
donde el pH es igual al pKa, la concentración de cationes amonio es igual a
la concentración de amoniaco. Piensa en un punto justo a la izquierda del punto
medio de equivalencia media, al cual llamaremos P. En el punto P, el pH es mayor que el valor pKa,
y sabemos también que, en el punto inicial de la curva de valoración, prácticamente en la
solución sólo se tenía NH3, la base débil. Ya que el punto P está entre el punto
inicial, —donde casi todo era NH3—, y el punto medio de equivalencia —donde
hay cantidades iguales de NH3 y NH4+—, en el punto P, debe haber más NH3 que NH4+. Por lo tanto, podemos deducir que cuando
el pH de la solución es mayor que el pKa, la concentración de amoniaco es mayor que
la concentración del catión amonio, o, en otras palabras, la concentración de amonio
es menor que la concentración de amoniaco. También se puede llegar a este resultado
usando la ecuación de Henderson-Hasselbalch, sin embargo, a menudo es más fácil pensar
en la forma de la curva de valoración y dónde se ubica un punto en particular en
relación con los puntos importantes de ésta, como el punto inicial y el punto
medio de equivalencia, para este caso. Ahora, pensemos en un punto justo a la derecha del
punto medio de equivalencia, al cual llamaremos Q. En el punto Q, el pH de la
solución es menor que el pKa, además, el punto Q se ubica entre el punto medio
de equivalencia y el punto de equivalencia, que está aproximadamente aquí
en la curva de valoración. Recuerda que, en el punto de equivalencia, todo el
amoniaco inicial se ha convertido en amonio, NH4+. Dado que el punto Q está entre
el punto medio de equivalencia —donde la cantidad de NH3 es
igual a la cantidad de NH+—, y el punto de equivalencia —donde
todo el NH3 se ha convertido en NH4+—, significa que en Q debe haber más NH4+ que NH3. En consecuencia, cuando el pH es menor que el pKa,
podemos concluir que la concentración de amonio, NH4+,
es mayor que la concentración de amoniaco, NH3. El punto medio de equivalencia,
el punto P y el punto Q forman parte de la región de
amortiguación en la curva de valoración. Recuerda que una solución amortiguadora
o tampón resistetampón resiste grandes cambios en el pH, y es por eso que vemos
una disminución lenta de este parámetro cuando se agrega ácido en
la región de amortiguación. Al comienzo de la valoración,
la solución era casi en su totalidad amoniaco y por lo tanto no
se tenía una solución amortiguadora. Sin embargo, a medida que se agregó ácido y
el amoniaco se convirtió en el catión amonio, NH4+ hasta obtener cantidades significativas del
par ácido base conjugado, la solución también se transformó en una solución tampón,
y eso representa esta región de amortiguación en la curva de valoración. Cuando se agrega una mayor cantidad del ácido,
observamos ahora un cambio drástico en el pH que comienza aquí, por lo que ya no
estamos en la región de amortiguación a medida que nos acercamos
al punto de equivalencia. Entonces, cuando pensamos en el perfil de pH
de una valoración base débil-ácido fuerte, y consideramos el punto medio de equivalencia
donde el pH es igual al pKa del ácido débil, es importante recordar que hay una región o zona de amortiguación alrededor del
punto medio de equivalencia.