Ejercicio resuelto de Valoraciones ácido-base · Química · 2025

El ácido metanoico ($\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$), llamado habitualmente ácido fórmico, es un ácido carboxílico monoprótico de un solo átomo de carbono y tiene una constante de acidez ($K_a$) a 25 °C de $\mathrm{1,77}\times {10}^{-4}$. Fue aislado e identificado por primera vez en la destilación acuosa de hormigas rojas. Se encuentra presente en el mecanismo de defensa de diversos insectos y plantas.

a) Calcule el pH de una disolución 0,20 M de ácido metanoico y escriba la reacción de valoración del ácido metanoico con hidróxido de sodio. Calcule también el volumen de disolución de hidróxido de sodio 0,15 M que será necesario para valorar 25 mL de la disolución del ácido metanoico. [1,25 puntos]
b) Razone cualitativamente si el pH en el punto de equivalencia de la valoración anterior será ácido, básico o neutro, y diga cuál de los indicadores de la tabla siguiente se puede utilizar para detectar el punto final de esta valoración. Justifique la respuesta. Explique cómo llevaría a cabo en el laboratorio este procedimiento, e indique qué material y qué sustancias utilizaría. [1,25 puntos]

Datos:

$\mathit{\text{Indicador}}$	$\mathit{\text{Intervalo}}\mathit{\text{del}}\mathit{\text{pH}}$	$\mathit{\text{Cambio}}\mathit{\text{de}}\mathit{\text{color}}\mathit{\text{en}}\mathit{\text{medio}}\acute{\mathit{\text{a}}}\mathit{\text{cido}}$	$\mathit{\text{Cambio}}\mathit{\text{de}}\mathit{\text{color}}\mathit{\text{en}}\mathit{\text{medio}}\mathit{\text{alcalino}}$ 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

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{pH}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{0,20}}\mathbf{\text{M}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{metanoico}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{valoraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{metanoico}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{xido}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sodio.}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{tambi}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hidr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{xido}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sodio}}\mathbf{\text{0,15}}\mathbf{\text{M}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{necesario}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{valorar}}\mathbf{\text{25}}\mathbf{\text{mL}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{del}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{metanoico.}}\mathbf{\text{(1,25}}\mathbf{\text{puntos)}}$

El ácido metanoico es un ácido débil monoprótico, así que se disocia solo parcialmente y hay que resolver su equilibrio.

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\rightleftharpoons \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Concentración (mol/L)	$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$	$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{-}$	${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$ Inicial	0,20	0	0 En el equilibrio	$\mathrm{0,20}-x$	$x$	$x$

$K_a={\displaystyle \frac{x^2}{\mathrm{0,20}-x}}=\mathrm{1,77}\cdot {10}^{-4}$

$x^2+\mathrm{1,77}\cdot {10}^{-4}x-\mathrm{3,54}\cdot {10}^{-5}=0\Rightarrow x=\mathrm{5,86}\cdot {10}^{-3}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{-1}$

$\mathrm{p}\mathrm{H}=-\log (\mathrm{5,86}\cdot {10}^{-3})=\mathrm{2,23}$

(el grado de disociación es solo del $\mathrm{2,9}\mathrm{\%}$, lo que confirma que se trata de un ácido débil).

La valoración con la base fuerte es una neutralización mol a mol:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})\to \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

En el punto de equivalencia se ha añadido tanta base como ácido había:

$n_{\acute{\text{a}}\text{cido}}=\mathrm{0,20}\cdot \mathrm{0,025}=\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-3}\text{ mol}$

$V_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}={\displaystyle \frac{n}{c}}={\displaystyle \frac{\mathrm{5,0}\cdot {10}^{-3}}{\mathrm{0,15}}}=\mathrm{0,0333}\mathrm{L}$

El pH de la disolución de ácido metanoico $\mathrm{0,20}$ M es $\mathrm{2,23}$, y para valorar $25$ mL de esa disolución hacen falta $\mathrm{33,3}$ mL de hidróxido de sodio $\mathrm{0,15}$ M.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{cualitativamente}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{pH}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{equivalencia}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido,}}\mathbf{\text{b}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{sico}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{neutro,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{diga}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{indicadores}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{tabla}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{puede}}\mathbf{\text{utilizar}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{detectar}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{final}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{esta}}\mathbf{\text{valoraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{llevar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{cabo}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{laboratorio}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{procedimiento,}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{material}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{sustancias}}\mathbf{\text{utilizar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a.}}\mathbf{\text{(1,25}}\mathbf{\text{puntos)}}$

En el punto de equivalencia todo el ácido se ha transformado en metanoato de sodio, una sal que en disolución está totalmente disociada.

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}(\mathrm{a}\mathrm{q})\to \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

El ion sodio procede de una base fuerte y no reacciona con el agua. El ion metanoato, en cambio, es la base conjugada de un ácido débil y sí se hidroliza:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\mathrm{O}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\rightleftharpoons \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$

Esa reacción libera iones hidróxido, así que el pH en el punto de equivalencia es básico, claramente por encima de 7.

El indicador adecuado es el que cambia de color dentro del salto de pH de la valoración, y ese salto está centrado en la zona básica. De los tres de la tabla, el verde de bromocresol vira demasiado pronto (3,8-5,4) y el azul de bromotimol lo hace en torno a la neutralidad (6,0-7,6): los dos darían el punto final antes de tiempo. La fenolftaleína, que vira entre $\mathrm{8,0}$ y $\mathrm{9,5}$, es la que corresponde.

El procedimiento sería el siguiente. Con una pipeta aforada se toman los $25$ mL de la disolución de ácido metanoico y se pasan a un matraz erlenmeyer, al que se añaden unas gotas de fenolftaleína. La disolución de hidróxido de sodio $\mathrm{0,15}$ M se carga en una bureta, que se enrasa a cero. Se deja caer la base gota a gota sobre el ácido, agitando sin parar; cerca del punto final el color rosa tarda cada vez más en desaparecer, y se da por terminada la valoración cuando persiste al menos treinta segundos. Se anota el volumen gastado y se repite el proceso dos o tres veces para promediar.

El material necesario es bureta con soporte y pinza, pipeta aforada con aspirador, matraz erlenmeyer, matraz aforado y vaso de precipitados para preparar las disoluciones, frasco lavador y agitador magnético; y las sustancias, la disolución de ácido metanoico, la de hidróxido de sodio de concentración conocida, agua destilada y fenolftaleína como indicador.