La reacción química

Reaccion/QAI/HGR
La reacción química
Ecuación química
Las ecuaciones químicas se emplean para representar las reacciones entre las
sustancias, como resulta obvio es más fácil representar con unos cuantos
símbolos lo que ocurre en una reacción que describir el experimento con palabras.
Ya que una ecuación química debe representar inequívocamente una reacción,
esto implica que ésta deberá contener toda la información concerniente a la
reacción que representa. Esto es, deberá indicar las sustancias involucradas, las
proporciones en que se combinan (coeficientes estequiométricos), los productos
de la reacción, el medio en que ésta se lleva a cabo (disolventes, presión,
temperatura), indicar los cambios de fase, etc.
En la química analítica una buena parte de las reacciones se lleva a cabo en
disoluciones acuosas y entonces por simplicidad en las ecuaciones de estas
reacciones se omite el indicar que se llevan a cabo en H2O y sólo se indica el
medio cuando este es diferente del H2O.
Así por ejemplo para la reacción del permanganato de potasio con el ácido oxálico
en una disolución acuosa de ácido sulfúrico se tiene:
2 KMnO4 (H2O) + 5 H2C2O4(H2O) + 3 H2SO4(H2O) ⇒ 2 MnSO4(H2O) + 10 CO2(gas) + 8 H2O + K2SO4(H2O)
faltaría tan sólo indicar que ocurre a presión y temperatura ambiente (1 atm de
presión y 250C), para simplificar y dado que ocurre en medio acuoso se podría
también escribir:
O
5
OH
HO
+
2 KMnO4 + 3 H2SO4
10 CO2
+ 2 MnSO4 +
K2SO4 + 8 H2O
O
es importante hacer notar que a pesar de simplificar se mantiene la indicación del
cambio de fase para el CO2, así como los coeficientes estequiométricos para la
reacción, por otro lado a pesar de ser medio acuoso es importante mantener
evidencia de que la reacción genera 8 moles H2O ya que estas son producto de la
reacción.
Como veremos muchas veces no es necesario emplear una ecuación completa y
que basta con especificar algunos de los parámetros para que la ecuación quede
bien definida.
La selección de una ecuación que representa una reacción química se hace con
base en si las sustancias involucradas existen en forma molecular o estas están
disociadas por su carácter iónico.
Ejemplo: el AgNO3 en disolución acuosa se encuentra totalmente disociado en Ag+
y NO3-, al igual que el NaCl que por su carácter iónico se encuentra totalmente
disociado en Na+ y Cl-. Por lo que para simbolizar la reacción que se lleva acabo al
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poner en contacto disoluciones de ambas especies químicas basta con
representar los iones que si participan en la reacción:
Ag(H2O)+ + Cl(H2O)n- ⇒ AgCl ↓
o bien:
Ag+ + Cl- ⇒ AgCl ↓
aunque la reacción completa sea:
AgNO3 (H2O)+ NaCl(H2O) ⇒ AgCl ↓ + NaNO3(H2O)
Es importante hacer notar que el indicar AgNO3 (H2O) no tiene significado alguno ya
que esta especie no existe en forma molecular en disolución acuosa al igual que
NaCl(H2O). Sin embargo el AgCl si existe como tal.
Cuando en la reacción participan electrolitos débiles, esto es sustancias con un
bajo grado de disociación, es entonces preferible el emplear la ecuación molecular
completa para estas especies.
Ejemplo: la reacción del ácido acético, un ácido débil poco disociado en disolución
acuosa, con el hidróxido de sodio, una base fuerte totalmente disociada en
disolución acuosa se puede expresar como:
CH3COOH (H2O) + OH- ⇒ CH3COO-(H2O) + H2O
Es importante hacer notar, como en el caso de las ecuaciones iónicas que el
NaOH es un electrolito fuerte y por lo tanto no tiene sentido escribir la reacción
como si ésta ocurriese con NaOH.
Tipos de reacciones químicas:
1. Metátesis: en estas reacciones no existen cambios en los estados de
oxidación de las especies que participan y tan sólo ocurre un intercambio
de átomos o iones.
2. Óxido – Reducción: en estas reacciones las especies cambian sus estados
de oxidación.
3. Ácido – Base: en estas reacciones ocurre el intercambio de protones entre
las especies que participan.
4. Complejación: estas reacciones son el caso general de las reacciones de
metátesis.
5. Precipitación: en estas reacciones ocurre la precipitación de una o más de
las especies y por lo tanto deja de ser una disolución homogénea.
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La reacción química cuantitativa.
Una reacción química se considera como cuantitativa o que reacciona
completamente cuando al menos uno de los reactivos se consume en su totalidad.
En el momento en que se ha consumido cuando menos uno de los reactivos, la
reacción se detiene y permanecerán sin reaccionar lo que quede del resto de los
reactivos y ya no se producirán más productos. (las reacciones químicas también
se pueden detener por otros factores, entre ellos el de alcanzar el equilibrio
químico, este punto se tratará con mucho detenimiento mas adelante).
Nociones de equivalencia y reactivo limitante
Consideremos la reacción de combustión del etanol en presencia de oxígeno:
H
H
OH + 3O2
H
2CO2 + 3 H2O
H
H
al hacer reaccionar (combustión) 1 mol de EtOH con 3 moles de O2, la combustión
de la última molécula de EtOH implica la desaparición de las últimas 3 moléculas
de O2, esto significa que ambos reactivos se consumen simultáneamente. De igual
manera si hacemos reaccionar n moles de EtOH con 3n moles de O2, la reacción
cesa con el consumo simultáneo de los dos reactivos.
En forma general, cada vez que las relaciones del número de moles que se ponen
de reactivos son iguales o “equivalentes” a los coeficientes estequiométricos de
dicha reacción se dice que se cumplen las “condiciones de equivalencia”.
Cuando las relaciones entre el número de moles de reactivos que se ponen a
reaccionar son distintas a las de los coeficientes estequiométricos de la reacción;
ésta se detiene por falta de por lo menos uno de los reactivos quedando en
exceso el resto de los reactivos adicionados, que ya no tienen con quién seguir
reaccionando. Al reactivo que se consume primero, el responsable de que la
reacción se detenga, se le denomina “reactivo limitante”.
Debido a que las cantidades de productos que se forman en una reacción
dependen en forma exclusiva de la cantidad de reactivos que se disponga; resulta
entonces muy importante el poder identificar para una reacción, cual de entre los
reactivos es o será el reactivo limitante, esto antes de proceder a realizar cualquier
otro tipo de cálculos que se relacionen con la estequiometría de la reacción.
Identificación de reactivo limitante.
Si ahora nos enfocamos en las reacciones químicas (o más bien en las
ecuaciones químicas balanceadas), los coeficientes estequiométricos nos indican
las proporciones que necesitaríamos añadir de cada uno de los reactivos para que
la reacción se lleve a cabo en forma completa. Si añadimos proporciones
diferentes uno de los reactivos se convertirá en el reactivo limitante.
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Supongamos la siguiente reacción:
inicial
aA+bB⇒pP
nA nB
donde A y B son los reactivos y P los productos, a, b y p son los coeficientes
estequiométricos de la reacción y nA y nB los números de moles iniciales que
ponemos a reaccionar de los reactivos A y B.
Para esta reacción se pueden prever 3 situaciones diferentes:
Caso X en el que nA y nB sean equivalentes, en cuyo caso se debe cumplir que:
nA nB
=
a
b
en este caso al reaccionar A con B ambos se consumen simultáneamente, por
consiguiente no queda ningún reactivo en exceso y podemos decir que ambos son
reactivos limitantes, o mas bien se tienen condiciones de “equivalencia”
Caso Y en este segundo caso la cantidad de A de la que se dispone es menor
que la de B, por lo tanto:
nA nB
<
a
b
esto implica que cuando se han consumida las últimas a moléculas de A el
número de moléculas de B que quedan es mayor que b, por lo tanto la reacción
cesa por el consumo de A quedando en el seno de la reacción un exceso de B.
Caso Z ahora podemos suponer la situación inversa, esto es la cantidad de B de
la que se dispone es menor que la cantidad de A, por lo tanto:
nA nB
>
a
b
siguiendo el mismo razonamiento ahora B se convertirá en el reactivo limitante.
Resumen:
nA nB
<
a
b
A es el reactivo limitante
B queda en exceso al fin
de la reacción
P se forma en proporción
directa con A
nA nB
=
a
b
A y B se encuentran en
condiciones de
equivalencia
A y B desaparecen
simultáneamente
P se forma en relación
directa con A y B
nA nB
>
a
b
A queda en exceso al fin
de la reacción
B es el reactivo limitante
P se forma en proporción
directa con B
Cálculo del número de moles de todas las especies químicas al final de
una reacción cuantitativa.
Consideremos de nuevo la reacción:
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Reaccion/QAI/HGR
aA+bB⇒pP
inicial
nA nB
y supongamos ahora que nA/a > nB/b
es decir B será el reactivo limitante, así por lo tanto los reactivos que se consumen
y los productos que se forman dependerán de la cantidad de B de que se
disponga.
Con esto si tuviéramos una mol de B y dos moles de A y los coeficientes
estequiométricos de ambos reactivos y del producto fuesen uno (a = b = p = 1)
entonces tendremos:
inicial
final
A
2
1
+
B
1
0
⇒
P
1
Si considerásemos ahora diferentes coeficientes estequiométricos para la misma
reacción:
+
inicial
final
A
2
1.5
+
inicial
final
A
2
1.5
2B
1
0
⇒
2.B
1
0
⇒
P
0.5
½P
0.25
Si regresamos a la ecuación general para esta reacción aA + bB ⇔ pP, los
coeficientes estequiométricos indican que: 1 mol de B reaccionaría con a/b moles
de A y se formarían p/b moles de P; de esto se desprende que siempre será más
conveniente expresar la ecuación en función del reactivo limitante, ya que tanto el
consumo de reactivos como la formación de productos depende de él y de su
coeficiente estequiométrico. Si ahora expresamos la ecuación en función del
reactivo limitante tendríamos:
inicial
a/b A + B ⇒ p/b P
nA nB
por lo tanto reaccionará:
de B – reaccionará nB, es decir la totalidad de B disponible ya que éste es el
reactivo limitante.
de A – reaccionará una cantidad de A proporcional a nB conforme a la
relación de los coeficientes estequiométricos, esto es: (a/b)nB, que es
la proporción equivalente de A con respecto a B.
y se formará:
de P – todo el nB que reaccionó se convierte en P de acuerdo a la relación de
los coeficientes estequiométricos entre P y B, esto es: (p/b)nB.
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Reaccion/QAI/HGR
y quedará al cesar la reacción:
de A – [nA – (a/b)nB], es decir la cantidad inicial de A menos lo que ha
reaccionado hasta el consumo total de B.
de B – no quedará nada de B, ya que éste es el reactivo limitante y como tal
se consume en su totalidad.
de P – se habrá formado (p/b)nB
resumiendo:
inicial
reacciona
se forma
final
aA
nA
(a/b) nB
+
bB
nB
nB
⇒
pP
(p/b) nB
(p/b) nB
nA-(a/b) nB
Procedimiento general
1. es necesario identificar al reactivo limitante, comparando entre sí las
razones nA/a y nB/b
2. se re-expresa la ecuación en función del reactivo limitante, esto se hace
dividiendo toda la ecuación entre el coeficiente estequiométrico del reactivo
limitante.
3. se multiplican los nuevos coeficientes estequiométricos, los obtenidos en el
paso 2, por el número de moles iniciales de reactivo limitante y así se
obtendrá el número de moles de A y de B que reaccionan y de producto P
que se forma.
4. se calculan entonces los excedentes de moles de reactivos que
permanecen sin reaccionar, restando el número de moles que han
reaccionado al número de moles iniciales.
5. si inicialmente ya se encuentran en disolución alguna cantidad de
productos, la cantidad final que se obtenga será la cantidad de P que se
formó en la reacción mas la cantidad inicial que se tenía.
Ejemplo:
Se tiene la reacción entre H2SO4 y NH3, inicialmente se dispone de 2/7 de mol de
H2SO4 y 5/8 de mol de NH3. La ecuación que representa la reacción es:
H2SO4 + 2 NH3 ⇒ (NH4)2SO4
inicial
2/7
5/8
la reacción la podemos simplificar como:
A+ 2B⇔P
inicial
2/7 5/8
donde:
nA = 2/7
nB = 5/8
a=1
b=2
1. encontrar el reactivo limitante, para ello:
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Reaccion/QAI/HGR
27
=27
1
nB b > nA a
58
nB b =
= 5 16
2
de donde se deduce que A (H2SO4) será el reactivo limitante
2. expresar la ecuación en función del reactivo limitante
A+ 2B⇔P
de hecho la ecuación ya está expresada en función del reactivo limitante,
ya que el coeficiente estequiométrico para A es 1
3. multiplicar los coeficientes obtenidos en 2 por el número de moles del
reactivo limitante, así podemos definir el número de moles que reaccionan y
el número de moles que se forman:
nA a =
inicial
reacciona
se forma
A
2/7
2/7
+
2B
5/8
2(2/7)
⇒
P
2/7
4. y 5. – Cálculo del número de moles de todas las especies que permanecen
en disolución al finalizar la reacción:
inicial
reacciona
se forma
final
final
A
2/7
2/7
0
0
H2SO4
+
2B
5/8
2(2/7)
5/8 – 2(2/7)
3/56
NH3
⇒
P
2/7
2/7
2/7
(NH4)2SO4
Ejemplo: Se tiene la reacción entre el tricloruro de aluminio y el ácido sulfúrico. Se
cuenta inicialmente con 4/7 de mol de AlCl3 y 2/3 de mol de H2SO4 y también de
inicio en el seno de la reacción existe 1/3 de mol de HCl.
2 AlCl3 + 3 H2SO4 ⇔ Al2(SO4)3 + 6 HCl
1.- Determinación del reactivo limitante
47
n AlCl3 a AlCl =
=27
3
2
n AlCl3 a AlCl > n H 2SO 4 a H 2SO 4
3
23
n H 2SO 4 a H 2SO 4 =
=29
3
Será entonces el ácido sulfúrico el reactivo limitante.
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Reaccion/QAI/HGR
2.- expresar la ecuación en función del coeficiente estequiométrico del reactivo
limitante, esto significa dividir toda la ecuación entre el coeficiente estequiométrico
del reactivo limitante:
2/3 AlCl3 + H2SO4 ⇔ 1/3 Al2(SO4)3 + 6/3 HCl
3.- multiplicar el número de moles del reactivo limitante por los respectivos nuevos
coeficientes de los reactivos y productos obtenidos en 2, con ello conoceremos las
moles que reaccionan y las que se forman:
inicial
reacciona
se forma
2/3 AlCl3
4/7
2/3(2/3)
+
H2SO4
2/3
2/3
⇒ 1/3 Al2(SO4)3 +
6/3 HCl
1/3
1/3(2/3)
6/3(2/3)
4.- cálculo del número de moles de todas las especies que permanecen en
disolución al finalizar la reacción:
inicial
reacciona
se forma
final
final
2/3 AlCl3
4/7
2/3(2/3)
4/7 – 4/9
8/63
+
H2SO4
2/3
2/3
0
0
⇒ 1/3 Al2(SO4)3 +
6/3 HCl
1/3
1/3(2/3)
2/9
2/9
6/3(2/3)
4/3+ 1/3
5/3
Titulaciones o Valoraciones con reacciones cuantitativas
Supongamos de nuevo la reacción:
aA+bB⇒pP
la reacción así escrita y como hemos visto antes significa que “a” moles del
reactivo A reaccionan exactamente con “b” moles del reactivo B para producir “p”
moles del reactivo P, o lo que es lo mismo una mol de A reacciona con b/a moles
de B para producir p/a moles del producto P y lo expresamos como:
A + (b/a) B ⇒ (p/b) P
Supongamos ahora que se tiene una cantidad fija del reactivo A la que
representaremos como (nA)0, podemos deducir que requeriremos un cierto número
de moles de B para que todo A reaccione, ese número de moles será: b/a(nA)0. A
la cantidad de moles de B, que es necesario añadir para que todo A reaccione, es
decir se alcance el punto de equivalencia, la llamaremos (nB)peq. De aquí se
deduce que:
(nB)peq = b/a(nA)0
De igual forma la cantidad de P que se podrá producir a partir de las cantidades
estquiométricas de A y B será:
(nP)peq = p/a(nA)0
o bien sustituyendo la expresión de B al punto de equivalencia tendremos:
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Reaccion/QAI/HGR
(nP)peq = p/b(nB)peq
Reactivo limitante a cantidades fijas añadidas
Consideremos ahora que tenemos una cierta cantidad de la disolución de A, a la
cual añadiremos una cantidad de B. Así tenemos inicialmente de A (nA)0 moles y
añadiremos de B una cantidad cualquiera (nB)añadido. Así podremos prever tres
casos:
Caso X.- la cantidad de B añadida es menor que la necesaria para alcanzar el
punto de equivalencia, en este caso:
(nB)ag < (nB)peq
inicial
agregado
fin
a/bA
(nA)0
+
B
⇒
(nB)ag
0
(nA)fin = (nA)0-a/b(nB)ag
p/bP
(nP)fin = p/b(nB)ag
al igual que antes esto significa que B será el reactivo limitante, esto es B
reaccionara totalmente mientras que cierta cantidad de A permanecerá en
disolución.
Caso Y.- la cantidad de B añadida es mayor que la necesaria para alcanzar el
punto de equivalencia, en este caso:
(nB)añadido > (nB)peq
inicial
agregado
fin
A
(nA)0
+
⇒
b/aB
(nB)ag
(nB)fin = (nB)ag-b/a(nA)0
0
p/aP
(nP)fin = p/a(nA)0
como ya hemos visto esto significa que B se encuentra en exceso sobre la
cantidad necesaria para alcanzar el punto de equivalencia, por lo que todo A habrá
reaccionado y ahora B queda en una cierta cantidad como exceso en la disolución;
será ahora A quién sea el reactivo limitante.
Caso Z.- la cantidad de B añadida es exactamente igual a la necesaria para
alcanzar el punto de equivalencia, en este caso:
(nB)añadido = (nB)peq
inicial
agregado
aA
(nA)0
0
+
⇒
bB
(nB)ag
0
fin
pP
(nP)fin = p/b(nB)ag
o
(nP)fin = p/a(nA)0
lo que esto significa es que se ha alcanzado la equivalencia y que tanto A como B
son reactivos limitantes, ambos se consumen en su totalidad.
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Reaccion/QAI/HGR
La definición de reactivo limitante es sumamente importante ya que todo lo que
ocurre en el seno de la reacción dependen de él. La cantidad de reactivos que se
consumen, así como la cantidad de producto que se genera dependen de la
cantidad de reactivo limitante de que se disponga.
Uso de la reacción química como elemento de medición: Titulaciones o
valoraciones
Imaginemos ahora un experimento en el que preparamos una serie de vasos de
precipitados a los que le añadimos un volumen igual de una disolución del reactivo
A, y a cada uno de los vasos les añadimos una cierta cantidad del reactivo B
continuamente creciente:
como se puede ver cuando el volumen de B añadido (asumiendo una
concentración constante) contiene un número menor de moles de B que de A,
entonces es B quién resulta reactivo limitante, en la medida que aumentamos el
volumen añadido de B la cantidad de A final que queda va siendo cada vez menor.
Así llegará el momento en el que la cantidad añadida de B sea equivalente con la
cantidad de A inicial y habremos alcanzado el punto de equivalencia. Todas las
adiciones de B (Vn) que conduzcan a un mayor número de moles que los
necesarios para alcanzar el punto de equivalencia resultarán en un exceso de B
que permanecerá en la disolución sin reaccionar y será A entonces el reactivo
limitante. Lo importante de este experimento es darse cuenta que con la adición
de un número creciente de moles de B se alcanzará un punto donde la cantidad
de A inicial se consuma en su totalidad, si podemos identificar dicho punto
podremos en principio calcular la cantidad de A que había inicialmente; a
condición de que conozcamos bien la cantidad (volumen) de B añadido y la
concentración exacta de la disolución de B y sobre todo la estequiometría exacta
de la reacción.
Así, si consideramos que no conociésemos (lo que es el caso real) la cantidad
(concentración) de A inicial en la disolución, a través de poder determinar el
momento (volumen y concentración de B añadido) en que se alcanza el punto de
10
Reaccion/QAI/HGR
equivalencia podríamos entonces calcular la concentración inicial de A que se
tenía.
Si consideramos una cantidad desconocida de A (nA)0 contenida en un volumen
inicial V0. la concentración inicial de A en esta disolución quedará definida por:
(n )
(C A )0 = A 0
V0
o sea
(n A )0 = (C A )0 × V0
Cuando el reactivo B se añade como una disolución de concentración conocida,
preparada a partir de una sustancia patrón (sustancia de pureza conocida y
certificada) entonces:
(C B ) = (n B )
VB
si conocemos la cantidad de B añadida (condición necesaria) a través del volumen
de B añadido (VB)ag y la concentración de la disolución de B (CB)ag entonces:
(n B )ag = (C B ) × (VB )ag
Al momento de alcanzar el punto de equivalencia se tendría que:
(C B ) × (VB )peq = b / a (C A )0 × V0
de ello se obtiene que:
(C A )0
=
a ⎛ (C B ) × (VB )peq
⎜
b ⎜⎝
V0
⎞
⎟
⎟
⎠
o traducido a número de moles se tendría que:
(n A )0 = a / b (C B ) × (VB )peq
[
]
como se puede ver a condición de poder determinar con precisión el punto de
equivalencia sería fácil el poder determinar la cantidad desconocida de un
producto o de un analito en una disolución a través de un experimento de
valoración, conociendo también con precisión, la reacción química
(estequiometría) que se lleva a cabo, la concentración de la disolución del reactivo
añadido y el volumen añadido.
Evidentemente el llevar a cabo un experimento como el que se propuso no sería
práctico y experimentalmente esto se ha cambiado a su versión actual en el que el
reactivo se dispensa en forma continua a través de una bureta, lo que permite
determinar el volumen añadido al alcanzar el punto de equivalencia.
11
Reaccion/QAI/HGR
El problema esencial radica en como determinar el punto de equivalencia, es de
todos conocido el empleo de otras sustancias que se añaden a la disolución en
concentraciones muy bajas (para que el consumo de reactivos por ellas no afecte
la determinación del punto de equivalencia) conocidos como indicadores cuya
propiedad principal es cambiar de color cuando se alcanza el punto de
equivalencia (el estudio de las sustancias indicadoras es bastante mas complejo
que lo hasta aquí expuesto y lo abordaremos mas adelante), sin embargo existen
muchos otros métodos además del uso de indicadores para determinar el punto de
equivalencia, muchos de ellos serán tema de este curso.
Condiciones necesarias para poder llevar a cabo una valoración:
1. La reacción seleccionada deberá ser rápida (instantánea) de manera que
no se consuma tiempo esperando después de cada adicción que se
alcance el equilibrio y con ello poder definir si se ha llegado al punto de
equivalencia o no.
2. Para poder conocer la concentración del analito A en la disolución inicial se
requiere de:
a. Conocer la estequiometría de la reacción, esto significa que la forma
de reaccionar de las especies seleccionadas debe ser conocida
(valores de los coeficientes estequiométricos, balanceo).
b. Se deberá conocer con exactitud el valor inicial del volumen de
disolución de analito que se toma (V0), para ello es necesario usar
materiales de precisión en el laboratorio, esto es una pipeta
volumétrica clase “A” o bien a través de pesar en una balanza
analítica una cantidad del material que contiene al analito y
disolviéndolo en un volumen conocido o bien pesando la disolución
que contiene al analito.
c. La concentración de la disolución de reactivo debe ser conocida con
exactitud, esto implica tomar todas las precauciones en el momento
de su preparación, o bien lo que es más común el determinar en
forma separada (también por valoración) la concentración del analito,
a este procedimiento se le conoce como normalización o
estandarización de la disolución titulante. Por lo general se emplea
una sustancia patrón (certificada o de pureza conocida para llevar a
cabo la normalización de la disolución titulante).
d. El volumen de la disolución titulante (patrón) añadido hasta el punto
de equivalencia debe ser conocido con precisión; esto implica el uso
forzoso de una bureta volumétrica.
3. El analito en disolución probablemente vaya acompañado de otras
sustancias y deben asegurarse de que esas otras sustancias no interfieran
en la titulación del analito, bien porque consuman el reactivo limitante, o
porque impidan que la reacción se lleve a cabo en forma cuantitativa.
4. La reacción seleccionada para la titulación deberá ser cuantitativa (como
veremos más adelante las reacciones químicas están controladas por el
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Reaccion/QAI/HGR
equilibrio, esto es no existen las reacciones 100% cuantitativas), o por lo
menos su cuantitatividad deberá ser grande.
5. Deberá poderse detectar por algún medio el punto de equivalencia y deberá
buscarse que el punto final (este es el valor que experimentalmente se
determina por la incapacidad de poder determinar exactamente el punto de
equivalencia; piensen en los incrementos de volumen añadido a través de
la bureta) y el punto de equivalencia difieran lo menos posible.
6. Tanto el analito a determinar como el reactivo para preparar la disolución de
titulación deberán ser estables en las condiciones de análisis, esto es
ninguno de los dos debe descomponerse en las condiciones en las que se
realiza la prueba.
Ejemplo.Tenemos una disolución que contiene ácido m-aminobenzóico y deseamos
determinar la concentración de ABEN en dicha disolución, para ello diseñaremos
un experimento en el que aprovecharemos las propiedades ácido-básicas del
ABEN y lo titularemos o valoraremos con una disolución de NaOH.
NH2
OH
O
ácido m-aminobenzóico
C7H7NO2
el equilibrio ácido-base que ocurre es:
NH2
+
NH2
OH -
+
OH
H2O
O
O
O
que la representaremos por simplicidad como:
ABEN + OH- ⇒ ABEN- + H2O
Supongamos que valoramos una disolución de ABEN de concentración inicial Co
= 0.02M (este dato lo presuponemos para el análisis teórico en la práctica este
sería el valor por conocer) con una disolución de NaOH 0.1M y agregaremos
incrementos de volumen de 0.5mL en cada ocasión.
Veamos que si se toman 50 mL de una disolución de ABEN 0.02 M, esto
corresponde a que tengamos 0.001 moles de ABEN en los 50 mL iniciales. Y si
adicionamos 0.5 mL de NaOH 0.1M cada adición corresponde a 0.00005 moles de
OH-.
Con ello obtendremos la siguiente tabla de variación del número de moles de las
especies químicas en la disolución.
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Reaccion/QAI/HGR
50 mL de MEA 0.02M titulado con NaOH 0.1M
incrementos de 0.5 mL
Adición
Inicial
agrego
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
MEA
0.00100000
0.00095000
0.00090000
0.00085000
0.00080000
0.00075000
0.00070000
0.00065000
0.00060000
0.00055000
0.00050000
0.00045000
0.00040000
0.00035000
0.00030000
0.00025000
0.00020000
0.00015000
0.00010000
0.00005000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
NaOH
MEA-
H2O
0.00005
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00000000
0.00010000
0.00020000
0.00030000
0.00040000
0.00050000
0.00060000
0.00070000
0.00080000
0.00005000
0.00010000
0.00015000
0.00020000
0.00025000
0.00030000
0.00035000
0.00040000
0.00045000
0.00050000
0.00055000
0.00060000
0.00065000
0.00070000
0.00075000
0.00080000
0.00085000
0.00090000
0.00095000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00005000
0.00010000
0.00015000
0.00020000
0.00025000
0.00030000
0.00035000
0.00040000
0.00045000
0.00050000
0.00055000
0.00060000
0.00065000
0.00070000
0.00075000
0.00080000
0.00085000
0.00090000
0.00095000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
0.00100000
Si ahora lo graficamos obtendremos:
14
Vol. inicial
50
Vol. Final
50.5
51
51.5
52
52.5
53
53.5
54
54.5
55
55.5
56
56.5
57
57.5
58
58.5
59
59.5
60
60.5
61
61.5
62
62.5
63
63.5
64
Reaccion/QAI/HGR
0.0010
ABEN
NaOH
BENA
H2O
n°de moles
0.0008
0.0006
punto de
equivalencia
0.0004
0.0002
0.0000
0
5
10
15
20
25
30
#de adición
Si empleamos el volumen final de la disolución podremos calcular en lugar del n°
de moles, la concentración (M) de las especies químicas en la disolución
resultante:
Concentraciones (M)
Vol. inicial
50 mL
Vol. Final
50.5
51
51.5
52
52.5
53
53.5
54
54.5
55
55.5
56
56.5
57
57.5
58
58.5
Adición ABEN
0.5 mL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
NaOH
0.018811881
0.017647059
0.016504854
0.015384615
0.014285714
0.013207547
0.012149533
0.011111111
0.010091743
0.009090909
0.008108108
0.007142857
0.00619469
0.005263158
0.004347826
0.003448276
0.002564103
ABEN-
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
15
0.0009901
0.00196078
0.00291262
0.00384615
0.0047619
0.00566038
0.00654206
0.00740741
0.00825688
0.00909091
0.00990991
0.01071429
0.01150442
0.0122807
0.01304348
0.0137931
0.01452991
H2O
0.0009901
0.00196078
0.00291262
0.00384615
0.0047619
0.00566038
0.00654206
0.00740741
0.00825688
0.00909091
0.00990991
0.01071429
0.01150442
0.0122807
0.01304348
0.0137931
0.01452991
Reaccion/QAI/HGR
59
59.5
60
60.5
61
61.5
62
62.5
63
63.5
64
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
0.001694915
0.000840336
≈0
≈0
≈0
≈0
≈0
≈0
≈0
≈0
≈0
0
0
1.04E-17
0.000826
0.001639
0.002439
0.003226
0.004
0.004762
0.005512
0.00625
0.01525424
0.01596639
0.01666667
0.01652893
0.01639344
0.01626016
0.01612903
0.016
0.01587302
0.01574803
0.015625
0.01525424
0.01596639
0.01666667
0.01652893
0.01639344
0.01626016
0.01612903
0.016
0.01587302
0.01574803
0.015625
Si ahora lo graficamos obtendremos:
0.020
Concentración (M)
0.015
ABEN
NaOH
BENA
H2O
0.010
punto de
equivalencia
0.005
0.000
0
5
10
15
20
25
30
# de adición
es fácil observar que conforme aumenta el volumen de la disolución resultante las
concentraciones de las especies químicas se van diluyendo, esto provoca que las
rectas se vayan curvando siendo mas pronunciado el efecto conforme nos
acercamos al punto de equivalencia y después de haberlo alcanzado. Con ello es
fácil suponer que si valorásemos soluciones más diluidas el efecto sería cada vez
más notable. O bien si seleccionamos una concentración muy baja para el reactivo
valorante (esto es requerimos un volumen mayor para alcanzar el punto de
equivalencia) el efecto de dilución será mas importante y la detección del punto de
equivalencia (o final) se hará mas difícil. A pesar de ello es evidente que existe un
cambio en la tendencia de las concentraciones de las especies en la vecindad del
punto de equivalencia, hecho que aprovechamos para determinarlo.
16