Ejercicio resuelto de Valoraciones ácido-base · Química · 2025

PREGUNTA 1. DESTREZAS BÁSICAS DE LA QUÍMICA / REACCIONES QUÍMICAS (2,5 puntos)

La presencia de ciertos gases en las capas bajas de la atmósfera, entre los que destaca el ${\text{SO}}_2$ procedente de fuentes naturales (erupciones volcánicas) o antropogénicas (por ejemplo, la industria siderúrgica), provoca una disminución importante del pH de la lluvia. Este fenómeno se conoce como “lluvia ácida” y se debe evitar por los graves efectos sobre la vegetación o las construcciones realizadas con caliza. Podemos resumir el proceso de acidificación de la lluvia por el ${\text{SO}}_2$ en las siguientes ecuaciones:

${\text{SO}}_{2(g)}+\frac{1}{2}{\text{O}}_{2(g)}\to {\text{SO}}_{3(g)}$

${\text{SO}}_{3(g)}+{\text{H}}_2{\text{O}}_{(l)}\to {\text{H}}_2{\text{SO}}_{4(aq)}$

Para cuantificar la presencia de ácido sulfúrico en el agua de lluvia se valoró una muestra empleando como valorante una disolución de hidróxido de sodio de concentración $\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}\mathrm{M}$. Se repitió tres veces la valoración para mayor exactitud, con los resultados mostrados en la Tabla I.

Tabla I. Valoración (3 repeticiones)	Volumen disolución problema	Volumen disolución NaOH consumida 25 mL	49,9 mL 25 mL	50,2 mL 25 mL	46,9 mL

1.1. Escriba la reacción entre el ácido y la base, y determine la concentración de ácido sulfúrico en la muestra del agua de lluvia. (1,5 puntos)

1.2. Calcule el pH de la muestra del agua de lluvia valorada suponiendo que todo el ácido sulfúrico está disociado. (0,5 puntos)

1.3. Un técnico de laboratorio con poca experiencia repitió la valoración empleando el procedimiento descrito a continuación con los resultados mostrados en la Tabla II. Identifique el error cometido en el procedimiento de la valoración y justifique qué consecuencias tendrá sobre el resultado obtenido: “Se miden 25 mL de la disolución problema de ácido sulfúrico empleando un vaso de precipitados y se vierten en un matraz Erlenmeyer de 100 mL, añadiendo unas gotas de indicador. Por otro lado, en una bureta de 100 mL, sujeta en un soporte con pinzas, se añade la disolución de la base ($\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}\mathrm{M}$) con ayuda de un embudo enrasándola correctamente. A continuación, se añade lentamente la disolución de la base sobre el ácido, agitando constantemente el matraz Erlenmeyer. Una vez alcanzado el punto de equivalencia, indicado por el cambio de color, se anota la cantidad de la base consumida” (0,5 puntos)

Tabla II. Valoración (3 repeticiones)	Volumen disolución problema	Volumen disolución NaOH consumida 25 mL	47,3 mL 25 mL	57,9 mL 25 mL	51,6 mL

$\mathbf{\text{1.1.}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{base,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{determine}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{concentraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{sulf}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{rico}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{muestra}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{agua}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{lluvia.}}\mathbf{\text{(1,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El ácido sulfúrico es diprótico, así que hacen falta dos moles de hidróxido de sodio por cada mol de ácido para neutralizarlo por completo:

${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{a}\mathrm{c})+2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{c})\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4(\mathrm{a}\mathrm{c})+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

Antes de calcular hay que mirar los tres volúmenes gastados. Dos de ellos, 49,9 y 50,2 mL, difieren en solo 0,3 mL; el tercero, 46,9 mL, se aparta más de 3 mL de ambos. Es un valor discordante, atribuible a un error en esa repetición concreta, y se descarta: promediar los tres arrastraría ese fallo al resultado.

$\bar{V}(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})={\displaystyle \frac{\mathrm{49,9}+\mathrm{50,2}}{2}}=\mathrm{50,05}\mathrm{m}\mathrm{L}$

Con ese volumen medio, los moles de base consumidos son:

$n(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})=\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}\cdot \mathrm{0,05005}=\mathrm{2,50}\cdot {10}^{-5}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Y por la estequiometría 1:2 de la reacción, los moles de ácido de la muestra son la mitad:

$n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)={\displaystyle \frac{n(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})}{2}}={\displaystyle \frac{\mathrm{2,50}\cdot {10}^{-5}}{2}}=\mathrm{1,25}\cdot {10}^{-5}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Esos moles estaban en los 25 mL de muestra:

$c({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)={\displaystyle \frac{\mathrm{1,25}\cdot {10}^{-5}}{\mathrm{0,025}}}$

$c({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$

La concentración de ácido sulfúrico en el agua de lluvia es de $\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}$ M. Si se hubieran promediado los tres volúmenes, el resultado habría sido $\mathrm{4,9}\cdot {10}^{-4}$ M: del mismo orden, pero peor, porque incorpora una medida claramente defectuosa.

$\mathbf{\text{1.2.}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{pH}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{muestra}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{agua}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{lluvia}}\mathbf{\text{valorada}}\mathbf{\text{suponiendo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{el}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{sulf}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{rico}}\mathbf{\text{est}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{disociado.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Si la disociación es total, cada molécula de ácido cede sus $\mathbf{\text{dos}}$ protones:

${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to 2{\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$

$[{\mathrm{H}}^{+}]=2\cdot c({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=2\cdot \mathrm{5,0}\cdot {10}^{-4}=\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-3}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$

$\mathrm{p}\mathrm{H}=-\log [{\mathrm{H}}^{+}]=-\log (\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-3})$

$\mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{3,0}$

El agua de lluvia de la muestra tiene un pH de 3, muy por debajo del 5,6 que se considera normal por el $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ atmosférico disuelto. Es, en efecto, lluvia ácida.

$\mathbf{\text{1.3.}}\mathbf{\text{Un}}\mathbf{\text{t}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{cnico}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{laboratorio}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{poca}}\mathbf{\text{experiencia}}\mathbf{\text{repiti}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{valoraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{empleando}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{procedimiento}}\mathbf{\text{descrito}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{continuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{resultados}}\mathbf{\text{mostrados}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{Tabla}}\mathbf{\text{II.}}\mathbf{\text{Identifique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{error}}\mathbf{\text{cometido}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{procedimiento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{valoraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{consecuencias}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{sobre}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{resultado}}\mathbf{\text{obtenido.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El error está en la primera frase del procedimiento: los 25 mL de disolución problema se miden $\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{vaso}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{precipitados}}$.

Un vaso de precipitados solo lleva marcas orientativas y no es material volumétrico: su incertidumbre es de varios mililitros sobre 25. El resto del procedimiento —el matraz Erlenmeyer, el indicador, la bureta enrasada, la adición lenta con agitación constante— es correcto. Lo que hay que usar para medir la alícuota es una $\mathbf{\text{pipeta}}\mathbf{\text{aforada}}$ de 25 mL, que sí es material de precisión.

Las consecuencias se leen directamente en la Tabla II. Como el volumen de ácido realmente tomado cambia de una repetición a otra, cambia también el volumen de base necesario para neutralizarlo, y los resultados se dispersan:

$\mathrm{47,3};\mathrm{57,9};\mathrm{51,6}\mathrm{m}\mathrm{L}$

El recorrido es de 10,6 mL, frente a los 0,3 mL que separaban las dos medidas buenas de la Tabla I. Es decir, se pierde por completo la $\mathbf{\text{precisi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$: las repeticiones dejan de ser reproducibles.

Y, sobre todo, el error no es sistemático sino aleatorio, porque el vaso tanto puede quedarse corto como pasarse. Eso significa que no se puede corregir aplicando un factor: repetir la valoración no acerca al valor verdadero, y cualquier concentración calculada a partir de esos datos es poco fiable.