Ejercicio resuelto de Valoraciones ácido-base · Química · 2023

B2. Mediante una valoración ácido-base, se quiere determinar la concentración exacta de una disolución de ácido sulfúrico ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$. Para ello, se introducen en un matraz Erlenmeyer 20 mL de la disolución del ácido y se llena una bureta de 50 mL con una disolución de NaOH 0,2 M.

a) Explica cómo continúa el procedimiento de la valoración acompañándolo de un dibujo esquemático. (1,00)
b) Si al llegar al punto de neutralización se han consumido 10 mL de NaOH, calcula la concentración de la disolución de ácido sulfúrico. (1,00)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Explica}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{contin}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{procedimiento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{valoraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{acompa}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ndolo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{dibujo}}\mathbf{\text{esquem}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tico.}}\mathbf{\text{(1,00)}}$

El enunciado deja el montaje ya iniciado: los 20 mL de ácido sulfúrico en el matraz erlenmeyer y la bureta de 50 mL llena con la disolución 0,2 M de hidróxido de sodio. A partir de ahí la valoración consiste en añadir la base de forma controlada hasta que un indicador señale que la neutralización se ha completado.

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 hidróxido de sodio, con la llave en su extremo inferior; justo debajo, y centrado respecto a ella, el matraz erlenmeyer con el ácido y unas gotas de indicador, sobre el agitador. La punta de la bureta queda dentro de la boca del erlenmeyer, sin tocar sus paredes, para que no se pierda ninguna gota.

Material	Para qué se usa Bureta graduada de 50 mL	contiene el valorante, NaOH 0,2 M, y mide el volumen añadido Soporte con pinza y nuez	sujeta la bureta en posición vertical Matraz erlenmeyer	contiene los 20 mL de ácido; en él ocurre la reacción Fenolftaleína	indicador; incolora en medio ácido, rosa en medio básico Agitador magnético o varilla	homogeneiza la mezcla durante la adición

El procedimiento continúa en tres pasos:

i) Se añaden al erlenmeyer dos o tres gotas de fenolftaleína. Al tratarse de una valoración de ácido fuerte con base fuerte, el punto de equivalencia cae en pH 7 y este indicador, que vira en torno a 8,3, es suficientemente preciso; en el medio ácido de partida permanece incolora.

ii) Se abre la llave y se deja caer la base gota a gota, agitando de continuo el erlenmeyer. Cerca del punto final la adición debe hacerse gota a gota, porque una sola de más pasa de largo el viraje.

iii) Cuando el color rosa persiste al agitar se cierra la llave y se anota el volumen gastado. La operación se repite al menos tres veces y se promedian los volúmenes concordantes.

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

Del volumen de base gastado se deduce la concentración del ácido, que es lo que se calcula en el apartado siguiente. Conviene fijarse en que el ácido es diprótico, de modo que consume dos moles de base por cada mol de ácido.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{llegar}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{neutralizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{han}}\mathbf{\text{consumido}}\mathbf{\text{10}}\mathbf{\text{mL}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{NaOH,}}\mathbf{\text{calcula}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{concentraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{disoluci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{cido}}\mathbf{\text{sulf}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{rico.}}\mathbf{\text{(1,00)}}$

En el punto de equivalencia los moles de protones cedidos por el ácido igualan a los de hidróxido añadidos. Se calculan los moles de base gastados y se pasan a moles de ácido con la estequiometría de la reacción, que aquí no es de uno a uno.

$n(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})=c\cdot V=\mathrm{0,2}\cdot 10\cdot {10}^{-3}=\mathrm{2,0}\cdot {10}^{-3}\text{ mol}$

Cada mol de ácido sulfúrico neutraliza dos de hidróxido, porque cede dos protones:

$n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)={\displaystyle \frac{n(\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H})}{2}}={\displaystyle \frac{\mathrm{2,0}\cdot {10}^{-3}}{2}}=\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-3}\text{ mol}$

Esos moles estaban contenidos en los 20 mL de disolución que se tomaron al principio:

$c({\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)={\displaystyle \frac{n}{V}}={\displaystyle \frac{\mathrm{1,0}\cdot {10}^{-3}}{20\cdot {10}^{-3}}}=\mathrm{0,05}\text{ mol/L}$

La disolución de ácido sulfúrico es $\mathrm{0,05}$ M. Merece la pena notar que el volumen de base gastado es la mitad del de ácido y aun así la concentración del ácido resulta cuatro veces menor que la de la base: el factor 2 de la estequiometría se suma al de los volúmenes.