Ejercicio resuelto de Valoraciones ácido-base · Química · 2023

En la figura adjunta se muestran dos gráficas (A y B) correspondientes a dos curvas de valoración de dos ácidos diferentes con hidróxido de sodio (NaOH). Una curva corresponde a la valoración de ácido clorhídrico y la otra curva a la valoración de ácido acético ($\mathrm{CH_3COOH}$), un ácido carboxílico monoprótico débil, llamado también ácido etanoico. Considere que en ambos casos se ha valorado el mismo volumen de ácido de la misma concentración.



a) Escriba las dos reacciones de valoración. Justifique qué curva de valoración corresponde a cada ácido según el pH en el punto de equivalencia. [1,25 puntos]
b) Si para valorar 25,0 mL de una disolución de ácido acético se gastan 18,5 mL de hidróxido de sodio 0,050 M, ¿cuál es la concentración del ácido acético? Razone si es una buena elección utilizar naranja de metilo como indicador en esta valoración. [1,25 puntos]

Datos:

Indicador	Intervalo de pH	Color en medio ácido	Color en medio alcalino Naranja de metilo	3,1-4,4	rojo	amarillo Verde de bromocresol	3,8-5,4	amarillo	verde azulado Azul de bromotimol	6,0-7,6	amarillo	azul Fenolftaleína	8,0-9,5	incoloro	fucsia Nitramina	11,0-13,0	incoloro	marrón anaranjado

$\textbf{a) Escriba las dos reacciones de valoración. Justifique qué curva de valoración corresponde a cada ácido según el pH en el punto de equivalencia. (1,25 puntos)}$

Los dos ácidos son monopróticos, así que reaccionan con el hidróxido de sodio en proporción 1:1.

$\mathrm{HCl} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{NaCl} + \mathrm{H_2O}$

$\mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{CH_3COONa} + \mathrm{H_2O}$

Lo que distingue una curva de otra es el pH en el punto de equivalencia, es decir, en el centro del salto vertical, que en ambas está en torno a 15 mL de base añadida, como corresponde a valorar el mismo volumen de ácido de la misma concentración.

En la valoración del ácido clorhídrico, la sal que queda es cloruro de sodio. Ni el $\mathrm{Na^+}$, procedente de una base fuerte, ni el $\mathrm{Cl^-}$, base conjugada de un ácido fuerte y por tanto sin basicidad apreciable, se hidrolizan. En el punto de equivalencia solo hay agua y una sal neutra, así que el pH vale 7.

En la del ácido acético, la sal es acetato de sodio, y el anión acetato sí es la base conjugada de un ácido débil, de modo que se hidroliza:

$\mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{OH^-}$

Esa hidrólisis libera $\mathrm{OH^-}$ y el punto de equivalencia queda en zona básica, por encima de 7.

Mirando ahora la figura, el salto de la curva $\textbf{A}$ está centrado en torno a pH 8, claramente por encima de 7: corresponde al $\textbf{ácido acético}$. El de la curva $\textbf{B}$ pasa por pH 7: corresponde al $\textbf{ácido clorhídrico}$.

Otros dos rasgos del gráfico lo confirman. El primero es el pH de partida: con la misma concentración, el ácido fuerte está totalmente disociado y arranca mucho más abajo (curva B, pH próximo a 2) que el débil, que solo se ioniza en parte (curva A, pH en torno a 3,4). El segundo es la forma antes del salto: la curva A sube muy despacio en su tramo central, porque allí coexisten el ácido acético y su acetato y la disolución actúa de tampón, mientras que la B se mantiene casi horizontal y salta de golpe.

$\textbf{b) Si para valorar 25,0 mL de una disolución de ácido acético se gastan 18,5 mL de hidróxido de sodio 0,050 M, ¿cuál es la concentración del ácido acético? Razone si es una buena elección utilizar naranja de metilo como indicador en esta valoración. (1,25 puntos)}$

En el punto de equivalencia los moles de base añadidos igualan a los de ácido presentes, por la proporción 1:1 de la reacción:

$n(\mathrm{NaOH}) = c \cdot V = 0{,}050 \cdot 0{,}0185 = 9{,}25 \cdot 10^{-4}\ \text{mol}$

$n(\mathrm{CH_3COOH}) = 9{,}25 \cdot 10^{-4}\ \text{mol}$

$c(\mathrm{CH_3COOH}) = \frac{9{,}25 \cdot 10^{-4}}{0{,}0250} = 0{,}037\ \text{mol/L}$

La concentración del ácido acético es de 0,037 M.

Sobre el indicador, la regla es que su intervalo de viraje debe caer dentro del salto brusco de pH de la curva y, a ser posible, contener el punto de equivalencia. El naranja de metilo vira entre pH 3,1 y 4,4, es decir, en zona ácida, mientras que acabamos de establecer que el punto de equivalencia de esta valoración está por encima de 7.

No es, por tanto, una buena elección. El naranja de metilo cambiaría de rojo a amarillo cuando aún faltase mucha base por añadir —en la curva A ese pH se alcanza antes de los 5 mL—, de modo que se daría por terminada la valoración muy antes de tiempo y la concentración calculada saldría muy por debajo de la real.

El indicador adecuado es la $\textbf{fenolftaleína}$, cuyo intervalo, de 8,0 a 9,5, cae de lleno dentro del tramo vertical de la curva A y además contiene el punto de equivalencia; su viraje de incoloro a fucsia se aprecia además con mucha nitidez. La nitramina, que vira entre 11 y 13, quedaría ya en el tramo horizontal superior y también llegaría tarde.