Gráfica ácido-base para su interpretación y aplicación

La gráfica ácido-base, también conocida como curva de titulación ácido-base, es una herramienta fundamental en química para determinar la concentración de una solución ácida o básica desconocida mediante una valoración ácido-base. Esta técnica, también llamada volumetría ácido-base o titulación ácido-base, implica la adición gradual de una solución de concentración conocida ( valorante o sustancia valorante ) a una solución de concentración desconocida ( analito ) hasta que se alcanza el punto de equivalencia.

Cómo se construye una curva de titulación ácido-base

La construcción de una curva de titulación implica medir el pH de la solución del analito a medida que se le añade el valorante. Se comienza con una solución ácida (o básica) de pH conocido. Luego, se agregan cantidades sucesivas y iguales de una solución de base (o ácido) fuerte. Después de cada adición y una buena agitación, se mide el pH con un pH-metro o usando un indicador ácido-base. Los datos obtenidos (volumen de valorante añadido vs. pH) se grafican para obtener la curva de titulación.

Por ejemplo, al titular un ácido débil con una base fuerte, la curva mostrará un cambio gradual de pH al principio, seguido de un cambio brusco de pH cerca del punto de equivalencia, y finalmente un cambio más gradual después del punto de equivalencia. La forma de la curva depende de la fuerza del ácido y la base involucrados.

Tipos de Valoraciones Ácido-Base

Las valoraciones ácido-base se clasifican en dos tipos principales:

• Alcalimetrías : Determinación de la concentración de una base usando un ácido fuerte de concentración conocida como valorante. El ácido clorhídrico (HCl) es el ácido más comúnmente usado, aunque también se utilizan ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄ ) y, con menos frecuencia, ácido nítrico (HNO ₃ ) y ácido perclórico (HClO ₄ ).
• Acidimetrías : Determinación de la concentración de un ácido usando una base fuerte de concentración conocida como valorante. El hidróxido de sodio (NaOH) es la base más comúnmente usada.

El Punto de Equivalencia y el Punto Final

En una valoración ácido-base, existen dos puntos importantes:

• Punto de equivalencia : Es el punto teórico en el que se han añadido cantidades estequiométricas de ácido y base, lo que significa que los moles de H ⁺ del ácido reaccionan completamente con los moles de OH ^- de la base. El pH en este punto depende de la fuerza relativa del ácido y la base.
• Punto final : Es el punto experimental en el que se observa un cambio significativo en alguna propiedad de la solución, como un cambio de color del indicador o un cambio brusco en el pH medido con un pH-metro. Idealmente, el punto final debe coincidir con el punto de equivalencia, pero en la práctica existe una pequeña diferencia, que constituye el error de valoración .

Determinación del Punto de Equivalencia

El pH del punto de equivalencia se puede predecir basándose en la fuerza relativa del ácido y la base:

• Ácido fuerte + Base fuerte: pH = 7 (neutro)
• Ácido fuerte + Base débil: pH < 7 (ácido)
• Ácido débil + Base fuerte: pH > 7 (básico)

La determinación precisa del punto de equivalencia se realiza mejor usando un pH-metro, que proporciona una medida continua del pH a lo largo de la titulación. La gráfica del pH frente al volumen de valorante añadido permite identificar con precisión el punto de equivalencia como el punto de inflexión de la curva.

Indicadores Ácido-Base

Los indicadores ácido-base son sustancias que cambian de color en un rango específico de pH. Se utilizan para detectar el punto final de una valoración. La elección del indicador es crucial, ya que debe cambiar de color cerca del punto de equivalencia. La zona de viraje de un indicador se define aproximadamente como el rango de pH entre pK _a- 1 y pK _a+ 1, donde pK _aes la constante de disociación ácida del indicador.

Algunos indicadores comunes incluyen:

• Fenolftaleína
• Azul de bromotimol
• Rojo de metilo
• Naranja de metilo
• Verde de bromocresol

Una tabla que relaciona el intervalo de viraje con el color del indicador facilita la correcta selección del indicador para cada titulación. La selección incorrecta del indicador puede llevar a un error significativo en la determinación de la concentración del analito.

Cálculos en Valoraciones Ácido-Base

El principio fundamental en los cálculos de una valoración ácido-base es la estequiometría. La cantidad de moles de ácido que reaccionan es igual a la cantidad de moles de base en el punto de equivalencia. Esta relación se expresa mediante la ecuación:

V _ácidox M _ácidox n _ácido= V _basex M _basex n _base

Donde:

• V _ácido y V _base son los volúmenes de ácido y base, respectivamente.
• M _ácido y M _base son las molaridades de ácido y base, respectivamente.
• n _ácido y n _base son el número de moles de iones H ⁺ y OH ^- por mol de ácido y base, respectivamente.

Conociendo tres de estas variables, se puede calcular la cuarta. Por ejemplo, si se conoce el volumen y la molaridad del valorante (base o ácido) y el volumen del analito, se puede calcular la molaridad del analito.

Estandarización de Soluciones

Las soluciones de valorante deben ser estandarizadas antes de usarlas en una valoración ácido-base. Esto implica determinar su concentración exacta mediante la titulación con una sustancia patrón primario, un compuesto de alta pureza y peso molecular conocido, como el ftalato ácido de potasio (KHP) para estandarizar una solución de base y carbonato de sodio (Na ₂CO ₃) para estandarizar una solución de ácido. La estandarización asegura la precisión de las valoraciones posteriores.

Aplicaciones de las Valoraciones Ácido-Base

Las valoraciones ácido-base tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos campos, incluyendo:

• Análisis químico cuantitativo : Determinación de la concentración de ácidos y bases en diversas muestras.
• Control de calidad : Análisis de la pureza de sustancias químicas y la acidez o basicidad de productos.
• Industria alimentaria : Determinación de la acidez de alimentos como vinagre, jugos, y productos lácteos.
• Industria farmacéutica : Análisis de la pureza y concentración de medicamentos.
• Análisis ambiental : Determinación de la acidez o basicidad de muestras de agua y suelo.

La gráfica ácido-base es una herramienta poderosa y versátil para el análisis cuantitativo de soluciones ácidas y básicas. El entendimiento de los principios involucrados, la correcta selección de indicadores y el cuidado en la técnica experimental son cruciales para obtener resultados precisos y fiables.