Ejercicio resuelto de Valoraciones ácido-base · Química · 2021

B2. Se quiere determinar la concentración de un agua oxigenada comercial mediante su valoración con una disolución de permanganato de potasio de concentración conocida (permanganimetría). En disolución ácida el permanganato ($\mathrm{MnO_4^-}$) oxida el $\mathrm{H_2O_2}$ a $\mathrm{O_2}$, reduciéndose a $\mathrm{Mn^{2+}}$ según la ecuación siguiente (sin ajustar):
$\mathrm{KMnO_4}+\mathrm{H_2O_2}+\mathrm{H_2SO_4}\longrightarrow \mathrm{K_2SO_4}+\mathrm{MnSO_4}+\mathrm{O_2}+\mathrm{H_2O}$

a) Indicar los instrumentos y materiales que serán necesarios. (0,25)
b) Explicar el procedimiento de la valoración acompañándolo de un dibujo. (0,75)
c) Explicar por qué no se necesita indicador para esta valoración. (0,25)
d) Escribir la reacción ajustada que tiene lugar en esta valoración. (0,75)

$\textbf{a) Indicar los instrumentos y materiales que serán necesarios. (0,25)}$

Una valoración exige medir con precisión dos volúmenes: el del valorante, que se añade poco a poco, y el de la muestra. De ahí sale la lista de material.

Material	Para qué se usa Bureta de 25 mL graduada	contiene el valorante, la disolución de $\mathrm{KMnO_4}$, y mide el volumen añadido Soporte con pinza y nuez	sujeta la bureta en posición vertical Pipeta y aspirapipetas (pera)	miden con exactitud la alícuota de agua oxigenada y el ácido sulfúrico Matraz erlenmeyer de 250 mL	recibe la muestra; en él tiene lugar la reacción Vasos de precipitados y embudo	material auxiliar de trasvase y llenado Frasco lavador con agua destilada	enjuaga las paredes del erlenmeyer

No se necesita indicador, por el motivo que se explica en el apartado c).

$\textbf{b) Explicar el procedimiento de la valoración acompañándolo de un dibujo. (0,75)}$

El montaje se dispone en vertical y consta de dos piezas alineadas: sujeta al soporte por la pinza, la bureta graduada con la disolución de permanganato, con la llave en su extremo inferior; justo debajo, y centrado respecto a ella, el matraz erlenmeyer con el agua oxigenada acidulada. La punta de la bureta queda dentro de la boca del erlenmeyer, sin tocar sus paredes, para que no se pierda ninguna gota.

El procedimiento se desarrolla en cinco pasos:

i) Se prepara la bureta limpiándola y homogeneizándola con una pequeña porción de la propia disolución de permanganato, y se llena con ella hasta el punto de enrase.

ii) En el erlenmeyer se añaden un volumen conocido de agua oxigenada comercial y a continuación un volumen de ácido sulfúrico, por ejemplo 1 M, tomado con la pipeta y la pera. Se agita para homogeneizar. El medio ácido es imprescindible, porque solo así el permanganato se reduce a $\mathrm{Mn^{2+}}$.

iii) Se añade la disolución de permanganato gota a gota sobre la del peróxido, agitando continuamente después de cada adición, hasta observar la aparición de un color violáceo persistente: en ese momento la valoración ha terminado.

iv) Se anota el volumen de permanganato consumido, leyendo el menisco con la bureta a la altura de los ojos para evitar el error de paralaje.

v) Se repite la valoración al menos dos veces más, rellenando la bureta si es necesario y anotando la lectura inicial antes de cada una, y se promedian los volúmenes concordantes.

$\textbf{c) Explicar por qué no se necesita indicador para esta valoración. (0,25)}$

Se examina el color de las especies que intervienen antes y después de la reacción, porque de ahí puede salir la señal visual.

$\mathrm{MnO_4^-}\ (\text{violeta intenso})\ +8\,\mathrm{H^+}+5\,e^-\rightarrow \mathrm{Mn^{2+}}\ (\text{incoloro})\ +4\,\mathrm{H_2O}$

Mientras queda peróxido sin reaccionar, cada gota de valorante que cae se decolora al instante. Agotado el peróxido, la siguiente gota ya no encuentra reductor y su color se mantiene.

No se necesita indicador porque el propio valorante actúa de autoindicador: en disolución ácida el permanganato es de color violeta y al reducirse a $\mathrm{Mn^{2+}}$ queda prácticamente incoloro. Basta un ligerísimo exceso para que aparezca el tono violáceo persistente que marca el punto final.

$\textbf{d) Escribir la reacción ajustada que tiene lugar en esta valoración. (0,75)}$

Se escriben las dos semirreacciones en medio ácido. El manganeso pasa de $+7$ a $+2$ y el oxígeno del peróxido, de $-1$ a 0.

$\text{Reducción}:\ \mathrm{MnO_4^-}+8\,\mathrm{H^+}+5\,e^-\rightarrow \mathrm{Mn^{2+}}+4\,\mathrm{H_2O}$

$\text{Oxidación}:\ \mathrm{H_2O_2}\rightarrow \mathrm{O_2}+2\,\mathrm{H^+}+2\,e^-$

Para igualar el intercambio se multiplica la reducción por 2 y la oxidación por 5, de modo que ambas muevan diez electrones:

$2\,\mathrm{MnO_4^-}+16\,\mathrm{H^+}+10\,e^-\rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}}+8\,\mathrm{H_2O}$

$5\,\mathrm{H_2O_2}\rightarrow 5\,\mathrm{O_2}+10\,\mathrm{H^+}+10\,e^-$

$5\,\mathrm{H_2O_2}+2\,\mathrm{MnO_4^-}+6\,\mathrm{H^+}\rightarrow 5\,\mathrm{O_2}+2\,\mathrm{Mn^{2+}}+8\,\mathrm{H_2O}$

Se reponen por último los iones espectadores: los protones proceden del ácido sulfúrico y los sulfatos acompañan al manganeso y al potasio.

$5\,\mathrm{H_2O_2}+2\,\mathrm{KMnO_4}+3\,\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow 5\,\mathrm{O_2}+2\,\mathrm{MnSO_4}+\mathrm{K_2SO_4}+8\,\mathrm{H_2O}$

Se comprueba el recuento: 2 de potasio, 2 de manganeso, 3 de azufre, 16 de hidrógeno y 30 de oxígeno en cada miembro.