Problema de titulación ácido base

El siguiente es un problema típico del análisis por titulación ácido base de una muestra real. Se presenta la resolución detallada del problema con la explicación a profundidad de los pasos más importantes involucrados y que pueden ser fácilmente extrapolados a la resolución de cualquier otro problema de titulación ácido base, así como de otros tipos de titulaciones tales como las precipitometrías o las titulaciones redox.

Existen varias formas diferentes para resolver este tipo de problemas, pero haremos énfasis en el uso de la normalidad y el número de equivalentes de titulante y titulado en el punto final de la titulación. Esto permite que cualquier problema de este tipo se pueda resolver siguiendo exactamente el mismo procedimiento, pero cambiando el número de equivalentes por mol del titulante y el titulado según el tipo de reacción involucrada en la titulación.

El problema en cuestión consiste en dos titulaciones ácido base: una para llevar a cabo la estandarización del agente titulante utilizando un patrón primario, y la segunda para llevar a cabo el análisis de una muestra real, por lo que consiste en un acercamiento muy bueno a la clase de problemas que se deben resolver en un laboratorio de análisis real. Por simplicidad, no se considerarán errores experimentales ni el análisis estadístico de los resultados.

Problema: Análisis de un limpiador de inodoros por titulación ácido base

Enunciado:

Se desea analizar una muestra de removedor de sarro comercial utilizado frecuentemente para la limpieza de inodoros. El principio activo de este producto es ácido clorhídrico (HCl) al 6,75% m/V, y se analiza por medio de una titulación ácido base con hidróxido de potasio.

La solución de hidróxido se potasio se estandarizó titulando una muestra que contenía 0,4956 g de ftalato ácido de potasio, KHC₈H₄O₄ o KHP (MM=204.221g/mol). Durante la titulación se consumieron 25,15 mL de KOH para alcanzar el punto final.

Para analizar la muestra, se tomaron primero 10,00 mL del limpiador y se diluyeron hasta 250 mL con agua destilada. Luego, se tomó una alícuota de 25,00 mL de esta solución y se tituló con la solución de hidróxido de potasio estandarizada anteriormente utilizando fenolftaleína como indicador. El punto final se alcanza luego de agregar 17,50 mL de titulante. ¿Cuál es la concentración real de HCl en el limpiador de inodoros?

Solución:

Como se puede observar, el objetivo principal del problema es determinar la concentración real de HCl en el limpiador de inodoros, la cual debería estar alrededor de 6,75% m/V. Como la muestra es demasiado concentrada para analizarse directamente, se diluye antes de titularse. Es decir que la titulación de la muestra no nos dará la concentración que buscamos directamente, sino que debemos encontrar primero la concentración de la dilución y luego, con esta concentración, calcularemos la concentración inicial real del limpiador.

Para poder calcular la concentración de la solución diluida por medio de la titulación, es obligatorio conocer la concentración del titulante, en este caso, hidróxido de potasio. Sin embargo, esta concentración no la proporciona el ejercicio directamente, sino que, en su lugar, nos proporciona la información de otra titulación que se llevó a cabo con el mismo agente titulante, pero de una muestra conocida de ftalato ácido de potasio o KHP.

Luego de este análisis, está claro que, para poder resolver el problema, debemos primero calcular la concentración del hidróxido de potasio utilizando los datos de la primera titulación (la estandarización), luego esta se debe utilizar para determinar la concentración de la muestra diluida y, finalmente, se determina la concentración de la solución concentrada original, es decir, de la muestra.

Datos:

• 1ra titulación (estandarización de KOH)

El número de equivalentes por mol (W) del KOH es 1 ya que es una base que solo posee un ion hidróxido, mientras que el ftalato ácido de potasio es una sal anfótera que en este caso actúa como un ácido (porque está reaccionando con una base) monoprótico (porque posee un solo protón), por lo que también posee 1 equivalente por mol.

La reacción de la titulación es:

• 2da titulación (análisis de la muestra)

Al igual que el ftalato, el ácido clorhídrico también es un ácido monoprótico, por lo que el número de equivalentes por mol de este ácido también es 1.

En este caso, la reacción de la titulación es:

• Dilución

Cálculos

La finalidad de utilizar normalidad en lugar de otra unidad de concentración al resolver problemas de titulaciones, es que, en el punto final de la titulación, el cual se asume igual al punto de equivalencia, se cumple que los equivalentes del titulante son iguales a los equivalentes del titulado. Es decir que:

done el número de equivalentes se puede obtener bien sea de la masa de la sustancia y su peso molecular, o de su concentración normal como sigue:

donde m es la masa, W es el número de equivalentes por mol, MM es la masa molar, N es la concentración normal y V_sol es el volumen de la solución.

Estas tres ecuaciones suelen ser suficientes para resolver cualquier problema de titulación.

Estandarización de la solución de KOH

Las tres ecuaciones anteriores se pueden combinar en una sola para hallar la concentración normal de la solución de hidróxido de potasio, es decir, del titulante. En el punto final de la estandarización, se cumple que

Titulación de la alícuota de la muestra diluida

Ahora que tenemos la concentración del titulante, la podemos utilizar para determinar la concentración de HCl en la alícuota. Nuevamente combinando la relación de los equivalentes en el punto final con la fórmula de la normalidad, podemos escribir:

Dilución

Ya encontramos la concentración de la alícuota que se tituló, la que corresponde a la concentración de la solución diluida de la muestra original. Ahora, solo necesitamos utilizar la ecuación de la dilución para determinar la concentración de la solución concentrada original.

Esta es la concertación que estábamos buscando. Lo único que falta es convertirla a porcentaje m/V para poder así compararla con el valor reportado en la etiqueta. Para ello, consideramos que la solución contiene 1,689 equivalentes de HCl en 1 L = 1000 mL de solución. Esto, junto con la masa molar del HCl y el número de equivalentes por mol permitirá calcular el porcentaje m/V:

La concentración real de HCl en el limpiador de sarro analizado es de 6,158 % m/V y que es tan solo un poco diferente de la nuestra   Si comparamos este valor con los valores más probable que esté completitud

Referencias

Ahumada Forigua, D. A., Morales Erazo, L. V., Abella Gamba, J. P., & Gonzalez Cardenas, I. A. (2019). Técnicas de titulación ácido-base: consideraciones metrológicas. Revista Colombiana de Química, 48(1), 26–34. Recuperado de https://www.redalyc.org/jatsRepo/3090/309058491010/309058491010.pdf

Sapiencia (s.f.). Ejercicios titulación ÁCIDO – BASE y titulación REDOX. Recuperado de https://sapiencia-web.blogspot.com/p/itulacion.html

Skoog, D. A., West, D. M., Holler, J., & Crouch, S. R. (2021). Fundamentos de Quimica Analitica (9th edition). Boston, Massachusetts: Cengage Learning.

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