Prática 11 Ácidos, bases e curvas de titulação potenciométrica

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC Disciplina: Química Geral Experimental QEX0002 Prática 11 Ácidos, bases e curvas de titulação potenciométrica 1. Introdução Uma dificuldade em descrever as concentrações de ácidos e bases de forma quantitativa é devido ao fato de que a concentração de íons H 3 O + pode variar em muitas ordens de magnitude: Em alguns casos estas podem ser maiores que 1,0 mol L -1 e em outros casos, menores que mol L -1. Desta forma, os químicos conseguem contornar estas situações utilizando um artifício matemático, expressando então a concentração de íons H 3 O + em termos de uma escala logarítmica. Esta escala foi denominada escala de ph. Matematicamente o potencial hidrogeniônico de uma solução (ph) está descrito na equação (1) abaixo: ph = log[h 3 O + ] (1) Por exemplo, o ph da água pura, em que a concentração de íons H 3 O + é 1, mol L -1 (à 25 o C) é: ph = log[1, ] = 7,0 A escala de ph foi introduzida pelo químico dinamarquês Søren Sørensen em 1909 enquanto desenvolvia métodos de controle de qualidade para a produção de cerveja. Atualmente esta escala é utilizada largamente na química, biologia, bioquímica, medicina agricultura e engenharia. O sinal negativo na definição de ph indica que quanto mais alta a concentração de íons H 3 O +, menor será o valor numérico do ph. A Figura 1 abaixo ilustra a escala de ph indicando as regiões ácidas e básicas e alguns exemplos representativos. Figura 1. Escala de ph típica e algumas amostras de substâncias representativas. O valor aproximado do ph de uma solução aquosa pode ser medido facilmente com o auxílio de fitas indicadoras universais de ph, as quais mudam de cor devido a um conjunto específico de substâncias

2 indicadoras as quais discutiremos mais adiante. Medida precisas de valores de ph podem ser realizadas através de equipamentos conhecidos como phmetros (Figura 2). Figura 2. Exemplo de um phmetro típico durante uma medição: Suco de laranja (esquerda) e suco de limão (direita). Este equipamento consiste de um voltímetro conectado a dois eletrodos que são mergulhados na solução que se deseja medir o ph onde a diferença de potencial entre estes eletrodos é proporcional a concentração dos íons H 3 O + presentes nesta solução. A escala de ph é calibrada de acordo com soluções padrão de concentrações conhecidas e o valor de ph é medido diretamente. Para que a concentração de íons H 3 O + seja encontrada aplica-se o antiloagritmo a equação (1): [H 3 O + ] = 10 ph mol L 1 (2) 1.1 Volumetria de neutralização e curvas de titulação Uma técnica laboratorial bastante comum para se determinar a concentração de um soluto em uma solução é conhecida como titulação. Esta técnica é largamente aplicada de diversos campos da ciência e indústria tais como monitoramento da pureza da água, composição sanguínea e controle de qualidade na indústria alimentícia. Dentre diversas modalidades de titulações tais como ácido-base, redox, complexométrica, dentre outras, daremos destaque à titulação ácido-base, pois esta será o tópico abordado neste experimento. Uma titulação ácido-base envolve uma reação de neutralização na qual um ácido reage com uma quantidade equivalente de base. Construindo uma curva de titulação podemos facilmente explicar como o ponto final desta titulação pode ser detectado. Esta curva pode ser construída através de um gráfico da variação do ph da solução em função do volume de titulante adicionado (vide Figura 3). O titulante é sempre um ácido ou uma base forte. O analito (substância que se deseja conhecer a concentração) pode ser tanto uma base ou ácido forte como uma base ou ácido fraco. A propriedade da solução medida nesta titulação será o ph e, sendo assim, um phmetro é usado durante o procedimento para medir o ph da solução quando o titulante é adicionado progressivamente.

3 -log[a] pheq. 1 1/ /2 Figura 3. Curva típica de uma titulação potenciométrica em que um ácido forte é titulado com uma base forte. 2 2 Ponto final Volume de T, ml O ponto final da titulação pode ser determinado graficamente ou pela adição de um indicador apropriado. A escolha de um indicador adequado requer um conhecimento detalhado das características do ácido e da base. Através da análise do gráfico pode-se selecionar um ou mais indicadores adequados para cada titulação. A determinação da concentração ou quantidade do analito em questão pela medida do volume de titulante gasto até o ponto de equivalência é, portanto, chamada de análise volumétrica. 1.2 Indicadores ácido-base Como vimos anteriormente, um método simples, confiável e rápido para se determinar o ph de uma solução e/ou monitorar uma titulação se dá com a utilização de um phmetro. Um equipamento mais sofisticado para fazermos o mesmo trabalho seria a utilização de um titulador automático. Este equipamento possui um phmetro interno que monitora o ph do analito estudado continuamente. Ele detecta o ponto de equivalência respondendo a característica mudança abrupta de ph quando o mesmo é atingido. A Figura 4 ilustra um titulador automático. Figura 3. Titulador automático comercialmente disponível.

4 Outra maneira bastante comum para a determinação do ponto de equivalência é com a utilização de um indicador ácido-base. Estes compostos geralmente são moléculas orgânicas cuja cor é dependente do ph da solução. Desta forma quando uma mudança brusca no valor do ph ocorre no ponto de equivalência de uma titulação a mudança brusca de cor também é observada. O quadro 1 (abaixo) ilustra alguns dos principais indicadores ácido-base empregados em titulações: Quadro 1. Principais indicadores empregados em processos e titulação. O ponto de viragem é uma propriedade de um indicador. O ponto de equivalência é uma propriedade da reação química em questão durante o processo de titulação. Desta forma, é de suma importância que o indicador seja escolhido adequadamente para uma determinada reação. Na prática, o pk In do indicador deverá estar no máximo 1,0 unidade de ph do ponto de equivalência. A Figura 4 (a seguir) ilustra alguns exemplos de titulações e a escolha correta de indicadores. (a) Para uma titulação de base forte com ácido forte o pk In do indicador deve ser em ph ~ 7, entretanto fenolftaleína pode ser utilizada devido a mudança abrupta de ph ela pode ser utilizada na titulação de um ácido fraco com uma base forte, já o alaranjado de metila não. O alaranjado de metila pode ser utilizado na titulação de uma base fraca com um ácido forte pois o ponto de viragem da fenolftaleína estará muito longe do ponto de equivalência da reação. Figura 4. Alguns exemplos de titulações e a escolha correta de indicadores.

5 2. Objetivos Construir e analisar as curvas de titulação obtidas pela titulação de amostras de HCl e CH 3 COOH com NaOH previamente padronizado. Familiarização do acadêmico com a utilização de um phmetro. 3. Pré-laboratório 1) O que é ph? Qual a relação matemática entre ph e a concentração de íons hidrogênio em solução? E qual a relação entre a concentração de íons hidróxido, íons hidrogênio e o ph de soluções aquosas? 2) Escreva a equação química que representa uma reação de neutralização. Quais são os produtos formados? 3) O que é um eletrólito forte, um eletrólito fraco e um não-eletrólito? Faça uma lista com pelo menos 03 (três) ácidos e bases fortes. Obs. Tenha sempre em mente estes compostos! 4) (a) Pesquise (05) cincos ácidos fracos monopróticos e suas respectivas constantes de equilíbrio. (b) Coloque os mesmos em uma lista crescente de acidez. (c) Escreva as respectivas equações de ionização de cada ácido em água. (d) Escreva a reação química de neutralização de cada um destes ácidos com hidróxido de lítio. 5) Suponha que você tem disponível um condutivímetro e um phmetro no laboratório. Um técnico preparou duas soluções: uma de um ácido fraco 0,1 mol L -1 e outra de um ácido forte 0,1 mol L -1, mas esqueceu de rotular qual frasco era de qual ácido. Descreva como procederia para identificar os ácidos. 6) O que é uma titulação volumétrica? Qual o objetivo de uma titulação? 7) Dê um exemplo, escrevendo a equação química correspondente, de cada uma das titulações: neutralização, precipitação, complexação e oxirredução. 4. Materiais e Métodos 4.1 Materiais e reagentes phmetro NaOH padrão 0,100 mol L -1 Agitador magnético c/ barra magnética HCl ~ 0,100 mol L -1 Béquer 250 ml Proveta 100 ml Bureta

6 4.2 Procedimento Experimental Antes de iniciar o experimento, aguarde as instruções para operar com o phmetro. O béquer usado para titulação deve ser limpo depois de cada titulação; Quando o aparelho não estiver em uso, deixar o eletrodo imerso com água destilada; O phmetro deve ser calibrado com uma solução tampão antes de iniciar a titulação; Deve-se tomar cuidado ao manipular o eletrodo de vidro, pois este é extremamente frágil. Parte 1 Titulação de uma amostra de HCl ~ 0,1 mol L -1 com NaOH padrão 0,100 mol L -1 Completar a bureta com NaOH padrão, eliminar possíveis bolhas de ar localizadas abaixo da torneira e ajustar o nível do líquido para o valor zero. Transferir 15 ml de HCl para um béquer de 250 ml e adicionar 50 ml de água destilada com o auxílio de uma proveta. A quantidade de água acrescentada deve cobrir a parte do eletrodo que é sensível à leitura. Ligar o agitador e medir o ph da solução. Adicionar adequadamente quantidades de solução padrão de NaOH e a cada estabilização do ph anotar na tabela de dados 1 (a seguir) o resultado do volume de NaOH e o respectivo valor de ph da solução. Medir os valores de ph após cada adição de 0,50 ml até 14,00 ml. Em seguida mantenha adições de 0,10 ml até que 16,00 ml tenha sido adicionado. Finalmente, continue adicionando 0,50 ml até o volume total de 25,00 ml de NaOH. Construir gráfico de ph versus volume de NaOH adicionado. Parte 2 Titulação de uma amostra de CH 3 COOH ~ 0,1 mol L -1 com NaOH padrão 0,100 mol L -1 Repetir o procedimento da parte 1, usando 15,00 ml da solução de CH 3 COOH no lugar de HCl e adicionar 50 ml de água destilada com o auxílio de uma proveta. seguir: Os dados de ph versus volume de NaOH adicionado deverão ser preenchidos nas tabelas 1 e 2 a

7 Tabela 1. Valores de ph versus volume de titulante para a titulação de HCl com NaOH padrão. (ml) ph (ml) ph (ml) ph 0 14,8 0,5 14,9 1,0 15,0 1,5 15,1 2,0 15,2 2,5 15,3 3,0 15,4 3,5 15,5 4,0 15,6 4,5 15,7 5,0 15,8 5,5 15,9 6,0 16,0 6,5 16,5 7,0 17,0 7,5 17,5 8,0 18,0 8,5 18,5 9,0 19,0 9,5 19,5 10,0 20,0 10,5 20,5 11,0 21,0 11,5 21,5 12,0 22,0 12,5 22,5 13,0 23,0 13,5 23,5 14,0 24,0 14,1 24,5 14,2 25,0 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7

8 Tabela 2. Valores de ph versus volume de titulante para a titulação de CH 3 COOH com NaOH padrão. (ml) ph (ml) ph (ml) ph 0 14,8 0,5 14,9 1,0 15,0 1,5 15,1 2,0 15,2 2,5 15,3 3,0 15,4 3,5 15,5 4,0 15,6 4,5 15,7 5,0 15,8 5,5 15,9 6,0 16,0 6,5 16,5 7,0 17,0 7,5 17,5 8,0 18,0 8,5 18,5 9,0 19,0 9,5 19,5 10,0 20,0 10,5 20,5 11,0 21,0 11,5 21,5 12,0 22,0 12,5 22,5 13,0 23,0 13,5 23,5 14,0 24,0 14,1 24,5 14,2 25,0 14,3 14,4 14,5 14,6 14,7

9 5. Resultados e Questionário 1. Monte as curvas de titulação para cada um dos experimentos realizados com o auxílio de uma folha de papel milimetrado. 2. Encontre o ponto de equivalência nos gráficos obtidos. 3. Discuta as semelhanças e diferenças entre as duas curvas. 4. Acerca das titulações potenciométricas do ácido clorídrico (HCl) e do ácido acético (CH 3 COOH) com NaOH padrão realizadas no laboratório, considere as questões: a) Por que até o V eq o ph da solução contendo ácido acético é sempre maior que o ph da solução contendo HCl, num mesmo volume de NaOH adicionado? b) Por que, no V eq, o ph para as duas soluções são diferentes, sendo maior para o ácido fraco e menor para o HCl. Explique esse comportamento baseado na força da base conjugada formada em cada caso. Qual das duas bases conjugadas formadas é capaz de hidrolisar a água, gerando OH - e aumentando o ph? c) Após o V eq o ph das duas soluções são virtualmente iguais. Explique baseado na composição da solução e na força da base forte em excesso adicionada em relação ao que havia na solução no V eq. d) Calcule a concentração do HCl e do CH 3 COOH nas amostras tituladas, baseado nos volumes de amostra utilizados, na concentração do titulante e no V eq, determinado por alguma estratégia dada pelo professor, baseada na análise da curva de titulação experimental. e) O que é um tampão de ph? Mostre nas curvas de titulação obtidas quais regiões são tamponadas e quais regiões não são tamponadas. f) O ponto de equivalência (ou ponto final da titulação) numa titulação potenciométrica é, matematicamente, um ponto de inflexão. Pesquise no seu caderno de cálculo I, em livros ou na internet, como determinar um ponto de inflexão baseado na derivada primeira e derivada segunda de y em relação a x. 5. Geralmente uma titulação é realizada com uso de indicadores, que nos indicam quando toda a espécie que está sendo titulada é completamente consumida. Esse ponto é chamado de ponto final da titulação, ou ponto estequiométrico, caracterizado por um volume de equivalência e um ph do ponto de equivalência (V eq e ph eq ). Isso ocorre quando há uma mudança brusca de coloração da solução. Entretanto, se a amostra naturalmente possui cor, você acha que o uso de indicadores seria viável? Que alternativa você usaria? Explique. 6. Uma solução neutra é, por definição, uma solução na qual [H + ] é igual a [OH - ]. À 25 C, o valor de K w vale 1, Escreva a equação que representa a autoprotólise da água e determine qual do ph de uma solução neutra nessa temperatura.