Titulaciones de base débil-ácido fuerte

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.