19.1 Valoraciones ácido base

En este primer tema de volumetrías, nos valdremos de los conceptos aprendidos en el equilibrio ácido/base para explicar las valoraciones ácido/base.

Complemento: tabla de indicadores ácido/base

En la siguiente tabla se presentan los indicadores más usuales para las valoraciones ácido/base, con sus respectivos colores y sus intervalos de pH.

Nombre	Color forma ácida	Intervalo de viraje de pH	Color forma básica
Violeta de metilo	amarillo	0,0 – 1,6	púrpura
Azul de timol	rojo	1,2 – 2,8	amarillo
2,4-dinitrofenol	inc.	2,7 – 3,9	amarillo
Naranja de metilo	rojo	3,2 – 4,4	amarillo
Azul de bromofenol	amarillo	3,0 – 4,6	violeta
Rojo congo	azul	3,0 – 5,0	rojo
Verde de bromocresol	amarillo	3,8 – 5,4	turquesa
Rojo de metilo	rojo	4,2 – 6,3	amarillo
Azul de bromotimol	amarillo	6,0 – 7,6	azul
Tornasol	rojo	6,0 – 8,0	azul
Azul de timol	amarillo	8,0 – 9,6	azul
Fenolftaleína	inc.	8,2 – 9,8	fucsia
Timolftaleína	inc.	9,4 – 10,6	azul
Amarillo de alizarina	amarillo	10,0 – 12,1	violeta
Carmín de índigo	azul	11,4 – 13,0	amarillo

Ejercicios

"Al valorar 20 ml de una alícuota de ácido clorhídrico se consumen 25 ml de agente valorante NaOH 0,02M. Calcular la concentración inicial de ácido en la muestra."

Se trata de una valoración de ácido fuerte (HCl) con base fuerte (NaOH). Planteamos la reacción que tiene lugar:

NaCl es una sal cuyos iones son conjugados de ácido y base fuertes, por lo que no alterarán el pH=7 del punto de equivalencia. Puesto que la reacción de neutralización tiene una estequiometría 1:1, los moles de valorante que se han consumido serán los mismos que los moles iniciales de ácido en la alícuota:

es decir, que 5·10^-4 moles de NaOH han neutralizado a 5·10^-4 moles de HCl, sabiendo que la alícuota analizada era de 20 ml, ya podemos calcular la concentración inicial de ácido en la muestra:

Solución: [HCl] = 0,025M

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"Se sabe que una disolución de hidróxido de calcio tiene una concentración de 0,003M. Calcular el volumen de ácido nítrico 0,01M que será necesario para neutralizar una alícuota de 50 ml de esa disolución básica."

Se trata de una valoración de base fuerte Ca(OH)₂ con ácido fuerte HNO₃. Planteamos la reacción que tiene lugar:

Al igual que en el problema anterior, el punto de equivalencia volverá a estar a pH=7. Pero ahora debemos prestar atención a la estequiometría de la reacción, que en este caso es 2:1. El problema ya nos dice la concentración de la alícuota y el volumen de la misma, por lo que podemos calcular los moles de Ca(OH)₂ que han sido neutralizados:

esos moles de base han sido neutralizados por el doble de moles de ácido, de acuerdo a la estequiometría 2:1 de la reacción, por lo que el número de moles de agente valorante que se han consumido ha sido de 3·10^-4 moles de HNO₃. Conociendo esos moles, y la concentración del agente valorante, ya podemos predecir cuánto volumen de éste se gastará en la bureta:

nótese que el resultado obtenido será en unidades de L, ya que la molaridad M tiene unidades de mol/L.      Solución: V = 30ml




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"Una alícuota de 20 ml de ácido acético se valora con una disolución de NaOH 0,145M; gastándose de ésta 32 ml medidos con la bureta. Calcular la concentración inicial de ácido, el pH en el punto de equivalencia, y proponer en consecuencia un indicador ácido/base apropiado para esta valoración."

Se trata de una valoración de ácido débil HAc con base fuerte NaOH. Planteamos la reacción que tiene lugar:

La estequiometría de la reacción es 1:1, es decir, que los moles de NaOH consumidos serán los mismos que los moles de HAc iniciales en nuestra alícuota, calculamos dichos moles:

conociendo los moles de HAc iniciales de la alícuota y su correspondiente volumen, ya podemos calcular la concentración inicial de ácido:

Solución: [HAc] = 0,232M

Para calcular el pH del punto de equivalencia, volvemos a observar la reacción que tiene lugar y deducimos que en dicho punto, tanto NaOH como HAc se han consumido completamente, quedando una disolución final de 4,64·10^-3 moles de NaAc en un volumen final de 52 ml, que es la suma de los 20 ml de alícuota inicial más los 32 ml gastados de valorante. De esta forma, el problema se resume en calcular el pH de una disolución de NaAc 0,089M, una sal cuyo ion Ac- provocará un cierto carácter básico en el punto de equivalencia.
Tomándolo como un problema de equilibrio ácido/base normal, y consultando en la correspondiente tabla el pK del HAc, el pH resultante es de 8,85.

Solución: pH (eq) = 8,85

Nótese que efectivamente el pH en el punto de equivalencia es ligeramente básico, como consecuencia de valorar un ácido débil frente a una base fuerte.
Para determinar visualmente este punto de equivalencia, debemos optar por un indicador cuyo intervalo de viraje englobe a ese pH. Observando en la tabla adjunta de indicadores, tanto el azul de timol como la fenolftaleína serían útiles para llevar a cabo esta valoración.




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Complemento: método Kjeldahl

Además de la determinación de la acidez o alcalinidad de una disolución, las valoraciones ácido base presentan más aplicaciones en el campo de la Química Analítica, una de ellas es el método Kjeldahl, que consiste en calcular el contenido de proteínas de un determinado alimento. Para ello se siguen tres fases, esquematizadas en el siguiente dibujo:

1. Digestión

Se pesa una pequeña cantidad de alimento y se disuelve en H₂SO₄ concentrado. En este medio ácido, todo el nitrógeno que forma parte de las proteínas se transforma en ion NH₄⁺, este proceso químico no obstante resulta bastante lento, y es necesario calentar la disolución (sin que llegue a hervir) y añadir un catalizador como el CuSO₄ para acelerar la cinética de la reacción.

2. Destilación

Una vez ha concluido la digestión de la muestra, en la que todo su nitrógeno protéico ha pasado a NH₄⁺, la disolución se basifica con una base fuerte, como pudiera ser NaOH, hasta tener un pH final alcalino, fácilmente comprobable con un trozo de papel indicador. A ese pH básico el NH₄⁺ se transformará en NH₃ gaseoso, ese gas debe destilarse tal y como muestra el dibujo: aplicando calor para acelerar el proceso, y refrigerando los vapores de NH₃ para que se recojan en un erlenmeyer que tiene un volumen conocido de HCl en exceso, donde el NH₃ pasará de nuevo a la forma ácida de NH₄⁺.

3. Valoración ácdo base

El HCl en exceso contenido en el erlenmeyer reaccionará con los vapores e NH₃ refrigerados por la destilación, dando lugar a una reacción ácido base en la que parte del HCl se neutralizará con el NH₃. Valorando con base fuerte ese exceso de HCl que ha quedado sin reaccionar, y comprobando el valor obtenido con la cantidad inicial de HCl que había en el erlenmeyer antes de la destilación, podremos averiguar la cantidad de HCl que ha reaccionado, o lo que es lo mismo: la cantidad de NH₃ o nitrógeno protéico que había en nuestra muestra de alimento.