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Universidade Federal de Alfenas – UNIFAL-MG
Campus Poços de Caldas
Curvas de pH e determinação do ponto de neutralização
Bruno Oliveira Thomazini
Jorge Henrique da Silva Araújo
Professor: Gian Freschi
Poços de Caldas/ MG
Maio/2015
Resumo: O presente experimento teve como objetivo analisar dois tipos de
titulação: Uma titulação de ácido forte com base forte e uma titulação de ácido fraco
com uma base forte. Com os resultados obtidos, foi possível a obtenção da curva de
titulação de cada uma das titulações bem como, através da derivada da curva de
titulação obter o volume e o pH de viragem. Os resultados obtidos foram
comparados com os resultados teóricos. Para a titulação de HCl contra NaOH,
obteve-se o valor de 26 mL para o volume e 7,46 para o pH de viragem. Já para a
titulação do ácido acético contra NaOH foi obtido o valor de 12,5 mL para o volume e
5,02 para o pH de viragem.
1. Introdução
As titulações estão entre os procedimentos analíticos mais exatos. Em uma
titulação, o analito reage com um reagente padronizado (titulante) em uma reação
estequiométrica conhecida. A quantidade de titulante é usada até que ocorra uma
equivalência química na reação indicado pela mudança de coloração de um
indicador químico. Um indicador ácido/base é um corante solúvel em água cuja cor
depende do pH, sendo que a mudança rápida em pH ocorre no ponto
estequiométrico de uma titulação que é sinalizada por uma mudança rápida da cor
do corante á medida que responde ao pH. Um indicador ácido/base é um ácido ou
base orgânico fraco cuja forma não dissociada difere da cor de sua base ou ácido
conjugados. Um dos indicadores mais comuns acido/base é a fenolftaleína, sendo
que em sua forma ácida é incolor e sua base conjugada é rosa (SKOOG, 2008).
Na figura 1, é mostrado alguns indicadores e os respectivos intervalos de seus
pontos de viragem.
Figura1: Indicadores e seus respectivos intervalos de pH de mudança de
coloração.
A curva de titulação, também conhecida como curva de pH ou curva de
neutralização é o gráfico do valor de pH da solução analito em função do volume do
titulante, sendo que o processo de neutralização pode ser intendido pelo estudo das
mudanças de concentração de íon hidrogênio durante a titulação. Os dados para a
obtenção da curva é feita calculando-os ou medindo-os, a partir de um pHmetro o
pH da solução após cada adição do titulante.
Na titulação de um ácido forte com uma base forte, ou base forte com um ácido
forte o pH no início muda lentamente até o ponto estequiométrico que muda
rapidamente passando por Ph=7 e então, novamente muda lentamente após a
adição de mais titulante. Na titulação de um ácido fraco ou base fraca em ácido
forte ou base forte dentre suas principais características é que o ponto
estequiométrico não ocorre em Ph= 7, apesar que o Ph mude rapidamente próximo
ao ponto estequiométrico não chega a ser tão significante a viragem como na
titulação ácido forte-base forte.
A partir da curva de titulação é possível saber como o pH da solução varia nas
proximidades do ponto de equivalência e, consequentemente, decidir se a titulação é
possível ou não. Ela permite também a escolha do indicador mais adequado para a
titulação, isto é, aquele que apresenta a viragem menos gradativa e que induz um
menor erro de titulação.
2. Objetivo
Determinação da concentração de H+ e o ponto estequiométrico de cada solução
das titulações de ácido forte-base forte e ácido fraco-base forte, a partir da
construção das curvas de pH para cada titulação.
.
3. Materiais e Métodos
3.1 – Materiais Utilizados:
Foram usados os seguintes materiais:
1 bureta de 25 mL;
3 béqueres de 200 mL;
1 pipeta volumétrica de 10 mL;
1 pipeta graduada de 1 mL;
2 béquer de 50 mL;
1 funil pequeno;
1 bastão de vidro;
1 pipeta de pasteur de 5 mL;
1 phmetro;
Solução de HCl 0,1 M;
Solução de NaOH 0,1 M;
Solução de Ácido Acético 0,1 M;
Solução de indicador azul de bromotimol;
3.2 – Metodologia:
O procedimento iniciou-se com a adição de 25 mL da solução de NaOH 0,1M
na bureta, e em um béquer de 50 mL foram adicionados 25 mL da solução HCl que
foi feita a medição do seu pH. Adicionou-se ao béquer 3 gotas de solução indicadora
de azul de bromotimol. Nota-se que se fez necessário completar a bureta mais uma
vez, pois o volume de 25 mL não foi suficiente para a titulação.
Após o preparo do titulante e do analito construiu-se uma tabela do volume
adicionado e seu respectivo pH. Inicialmente adicionou-se alíquotas 1 mL de
titulante, ao se aproximar do ponto de equivalência, adicionou-se alíquotas de 0,5
mL, para que fosse possível uma melhor análise nessa região. Anotaram-se os
dados e observou-se mudança brusca no valor de pH na mudança de coloração do
indicador no ponto de equivalência e continuou-se o processo até atingir uma
variação mínima no pH final.
Depois de ter feito a titulação ácido forte-base forte, com o titulante NaOH e o
analito o HCl, a repetição do procedimento para a titulação do ácido fraco-base forte
foi feita com a mudança de analíto para 12mL ácido acético 0,1 M. O indicador
escolhido para essa titulação foi a fenolftaleína.
Após coletar os dados das duas titulações construiu-se os gráficos de volume
adicionado (mL) versus pH e com o auxílio do Software Origin fez-se a primeira
derivada em relação ao pH para que assim fosse possível a obtenção do pico, que
representa o volume e o exato pH do ponto de viragem da curva de titulação obtida.
4. Resultado e Discussão
O experimento foi realizado com base em dois tipos de titulação. O primeiro foi a
titulação do HCl (ácido forte) contra NaOH (base forte), o segundo foi a titulação do
ácido acético (ácido fraco) contra NaOH (base forte). A equação 1 e a equação 2
mostra a reação envolvida na titulação forte-forte e fraco-forte, respectivamente.
𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝑁𝑎(𝑎𝑞)+ + 𝐶𝑙(𝑎𝑞)
− + 𝐻2𝑂(𝑙)
𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝐻3𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞)− + 𝑁𝑎(𝑎𝑞)
+ + 𝐻2𝑂(𝑎𝑞)
(1)
(2)
Na situação descrita pela equação 1, temos a melhor condição para uma
titulação, pois todo o ácido é neutralizado em pH 7, portanto basta escolher um
indicador o qual o intervalo de viragem seja o mais próximo possível de 7.
Descreveremos agora quatro situações que ocorrem durante a titulação. A
primeira delas se dá antes de se adicionar titulante (NaOH), a segunda situação é
entre o início da titulação e o ponto de equivalência. A situação três se dá no ponto
de equivalência e por fim a quarta situação está situada entre o ponto de
equivalência e o final da reação de neutralização.
Situação 1: Temos nessa situação o ácido ionizado dentro do erlenmeyer e água
fracamente ionizada. Os seguintes equilíbrios então são encontrados:
𝐻𝐶𝑙 ↔ 𝐻+ + 𝐶𝑙− 𝐾𝑎 ≫ 1
𝐻2𝑂 ↔ 𝐻+ + 𝑂𝐻− 𝐾𝑤 = 10−14
A concentração de HCl, será a quantidade total de ácido ionizada:
𝐶𝐻𝐶𝑙 = [𝐻𝐶𝑙]
Podemos então determinar a concentração de H+ total no erlenmeyer realizando
o balanço de massa em relação ao íon H+.
[𝐻+] = [𝐻𝐻𝐶𝑙+ ] + [𝑂𝐻á𝑔𝑢𝑎
− ]
Onde,
[𝑂𝐻á𝑔𝑢𝑎− ] é a concentração de hidrogênio liberado pela ionização da água, mas
como a constante de hidrólise da água é muito menor do que a constante de
ionização do ácido, desconsideramos esse valor e [𝐻+] = 𝐶𝐻𝐶𝑙 .
Sendo assim, podemos calcular o pH da solução inicial, pois:
𝑝𝐻 = −log [𝐻+]
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Situação 2: Como já citado a cima, o efeito da hidrólise é dispensável nessa
titulação, sendo assim o cálculo do pH é feito pela seguinte equação:
[𝐻+] =𝑉𝑎𝑁𝑎 − 𝑉𝑏𝑁𝑏
𝑉𝑎 + 𝑉𝑏
Sendo,
O índice a referente ao ácido,
O índice b referente à base,
V sendo o volume e
N sendo a concentração em normalidade.
Em posse da concentração de H+ e com o auxílio da equação 7 é possível a
obtenção do pH para qualquer volume de titulante adicionado entre o início da
titulação e o ponto de equivalência.
Situação 3: No ponto de equivalência, temos que todo o ácido reagiu com a
base, sendo assim o que resta no erlenmeyer é simplesmente íons Na+ e Cl- em
meio aquoso. Isso deve acontecer em pH neutro, ou seja, pH 7.Por isso, podemos
dizer que:
𝑉𝑎𝑁𝑎 = 𝑉𝑏𝑁𝑏
Situação 4: Nesta situação temos que todo o ácido reagiu com a base e que
existe em solução apenas sal e íons OH- provindos do excesso de base. Sendo
assim o pH da solução aumentará rapidamente. O Kw é muito menos do que o Kb,
deste modo desconsidera-se a contribuição de íons OH- provindos da hidrólise da
água. Temos então:
[𝑂𝐻−] =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑒𝑚 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑥 𝑐𝑜𝑛𝑐. 𝑑𝑎 𝐵𝑎𝑠𝑒
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
E também sabemos que:
𝑝𝐻 = 14 − 𝑝𝑂𝐻
Onde pOH = -log[OH-].
(8)
(9)
(10)
(11)
Depois de realizado a titulação no laboratório, os seguintes dados foram
obtidos:
Tabela 1: Mostra as tomadas de dados do volume de hidróxido de sódio
adicionado e o pH obtido.
Volume NaOH (mL) pH Solução Volume NaOH (mL) pH Solução
0 1,01 16 1,60
1 1,03 17 1,66
2 1,04 18 1,72
3 1,09 19 1,79
4 1,11 20 1,84
5 1,14 21 1,90
6 1,117 22 1,94
7 1,20 23 2,03
8 1,25 24 2,17
9 1,30 24,5 2,40
10 1,32 25 2,56
11 1,35 25,5 3,01
12 1,40 26 6,70
13 1,49 26,5 10,47
14 1,52 27 10,97
15 1,56 27,5 11,23
Com o auxílio do software Origin, foi possível a construção da curva de titulação
deste do sistema em questão, este gráfico é mostrado na figura 2 abaixo:
Figura 2: Gráfico que representa o comportamento da titulação de NaOH em
relação ao pH da solução.
Vemos que este gráfico é característico de uma titulação ácido forte com base
forte. Derivando este gráfico em relação ao pH, obtemos o ponto e volume exato de
viragem;
Figura 3: Gráfico obtido através da derivação do gráfico 2 em relação ao pH.
Analisando o pico (seta 1), temos o volume exato e o pH da viragem: V = 26
mL e pH = 7,46.
Faremos agora a mesma análise para a segunda titulação que tem como
equação geral a equação 2. Analisaremos também as mesmas 4 situações
estabelecidas para a titulação anterior.
Situação 1: No erlenmeyer temos uma solução de ácido fraco e água, sendo
assim os seguintes equilíbrios estão presentes:
𝐻Á𝑐 ↔ 𝐻+ + Á𝑐.− 𝐾𝑎 = 1,8𝑥10−5
𝐻2𝑂 ↔ 𝐻+ + 𝑂𝐻− 𝐾𝑤 = 10−14
Vemos agora, que diferentemente da primeira titulação, o equilíbrio da água
será um fator interferente a ser considerado, pois o íon acetato irá gerar o seguinte
equilíbrio secundário:
𝐴𝑐− + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻Á𝑐 + 𝑂𝐻−
Esse equilíbrio é denominado hidrólise do acetato e isso acarretará um pH
alcalino para a solução. Considerando as constantes de ionização, temos:
𝐾𝑎 =[𝐻+][𝐴𝑐−]
[𝐻𝐴𝑐]
Onde [H+] é igual a [Ac-].
Definimos então que todo íon hidrogênio livre implica necessariamente em um
ânion acetato também livre, isso resulta na exclusão da contribuição de íons H+
provindos da hidrólise da água. Sendo assim, através da equação 15 conseguimos
obter a concentração de íons H+ e por utilizando a equação 7, obtemos o pH.
Situação 2: Agora, iniciou-se a adição de base forte e os hidrogênios do ácido
estão sendo convertidos em água liberando íons acetato, que entram em equilíbrio
com a água.
𝐴𝑐− + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻𝐴𝑐 + 𝑂𝐻−
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
O pH desta etapa pode ser facilmente calculado sabendo que o ácido fraco
reagirá normalmente com a base. Todo ânion liberado terá relação direta e linear
com a quantidade de base adicionada, por exemplo: 1 mol de NaOH adicionados
geram 1 mol de ânions acetato.
A constante de ionização representa quantidades relativas máximas entre o
ácido em sua forma molecular e seus íons, portanto basta que:
𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + 𝑙𝑜𝑔[𝑆𝑎𝑙]
[𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜]
Onde,
[𝑆𝑎𝑙] = 𝑉𝑏𝑁𝑏
𝑉𝑡⁄
E,
[𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜] = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑛ã𝑜 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑥 𝑁𝑎
𝑉𝑡
Com,
V sendo o volume
N a concentração em normalidade
a referente ao ácido
b referente a base.
Situação 3: No ponto de equivalência todo o ácido terá sido neutralizado pela
base adicionada e o pH do meio deveria ser 7 se não fosse pela hidrólise dos
ânions, sendo assim é possível a obtenção do pH no ponto de viragem como:
𝑝𝐻 = 1
2𝑝𝐾𝑤 +
1
2𝑝𝐾𝑎 −
1
2𝑝𝐶
(17)
(18)
(19)
(20)
Onde,
Kw é a constante de hidrólise da água;
Ka é a constante de ionização do ácido e
pC é dado por – log[Sal];
Situação 4: Logo após o ponto de equivalência ser atingido, toda a base
adicionada se ionizará, isso implica no aumento do pH da solução, por isso o pH
dessa etapa se resume a uma determinação da quantidade em excesso de base na
solução titulada. Podemos então determinar o pH da solução utilizando as equações
10 e 11.
Após a realização da referida titulação, os seguintes dados foram obtidos:
Tabela 2: Representa a tomada de dados de volume adicionado de titulante e pH
do analito.
Volume NaOH (mL) pH Solução Volume NaOH (mL) pH Solução
0 2,83 11,5 5,56
1 3,27 12 6,17
2 3,94 12,5 9,04
3 4,14 13 11,19
4 4,34 13,5 11,45
5 4,50 14,5 11,80
6 4,67 15,5 11,98
7 4,77 16,5 12,04
8 4,87 17,5 12,09
9 4,98 18,5 12,20
10 5,13 19,5 12,25
10,5 5,28 20,5 12,30
11 5,52 21,5 12,32
Através da utilização do software Origin, foi possível a obtenção da curva de
titulação dos dados da tabela 2:
Figura 4: Gráfico da curva de titulação de um ácido fraco com uma base forte.
Observamos que a inclinação dessa curva é mais suave em relação à
titulação de um ácido forte com uma base forte, isso se deve ao tamponamento que
ocorre sempre que tivermos um ácido fraco/sal de ácido fraco. Com esse
tamponamento as variações de pH tendem a ser amenizadas. Observamos também
que existe uma larga faixa onde pode ocorrer a viragem do indicador, induzindo
alguns erros.
Derivando o gráfico da figura 4 em relação ao pH o obtemos um gráfico com o
pico que representa o volume e o pH exato de viragem:
Figura 5: Gráfico que representa a derivada do gráfico da figura 4 em relação ao pH.
Os pico, representado pela seta 1 do gráfico representa o volume de viragem
(V = 12,5 mL) e o pH de viragem (pH = 5,02).
Agora, temos todas as ferramentas para comparar os volumes e pH do ponto
de viragem teórico e experimental. Para facilitar a comparação, expressaremos os
resultados na tabela 3.
Tabela 3: Tabela com os dados teórico e experimental de volume e pH de viragem
dos dois tipos de titulação realizados.
Teórico Experimental
Titulação Ácido
Forte/Base Forte
Volume (mL) 25 26
pH 7 7,46
Titulação Ácido
Fraco/Base Forte
Volume (mL) 12 12,5
pH 8,72 5,02
5. Conclusão
Através desse experimento, foi possível a tomada de dados para a análise das
curvas de titulação de um ácido forte contra uma base forte e uma titulação de um
ácido fraco com uma base forte. As curvas de titulação obtidas foram expressadas
nas figuras 2 e 4 e estão de acordo com as curvas encontradas na literatura.
Obteve-se derivando essas curvas de titulação em relação ao pH, o pico onde foi
possível retirar o ponto exato de viragem de cada titulação. Os resultados foram
comparados com os dados obtidos através das ferramentas matemáticas. Nota-se
que houve uma diferença nos valores teóricos e experimentais, no ponto de
equivalência – que foi o ponto em que se fez a comparação teórica com
experimental.
A diferença na titulação do HCl contra NaOH não foi muito acentuada, pois
esperava-se uma viragem em torno de 7 e essa aconteceu com pH de 7,46. O
volume de viragem esperado era 25 e a viragem aconteceu aos 26, mostrando que
os resultados estão dentro do intervalo de erro.
Já para a titulação do ácido acético com NaOH, o pH de viragem experimental se
deu em pH 5,02, porém o esperado era 8,72. O que pode explicar essa diferença
pode ser o intervalo de viragem do indicador ou erro experimental. O volume
esperado de viragem está dentro do esperado, sendo 12 mL o teórico e 12,5 mL o
experimental.
6. Referências Bibliográficas
[1] SKOOG, D. A.; WESTD. M.; HOLLER, F J.; CROUCH, S. R. Fundamentos de
química Analítica. Tradução Maro Tadeu Grassi. Revisão Técnica Célio Pasquini.
São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2006.
[2] PARÁ, Universidade Federal do. Titulação de um Ácido Forte por uma
Base Forte. Disponível em:
<http://www.ufpa.br/quimicanalitica/tituacforbafor.htm>. Acesso em: 02 maio
2015.
[3] PARÁ, Universidade Federal do. Titulação de um Ácido Fraco por uma
Base Forte. Disponível em:
<http://www.ufpa.br/quimicanalitica/tituacfrabafor.htm>. Acesso em: 02 maio
2015.