laboratorio nº6 de analisis quimico cuantitativo

TITULACION DE MEZCLAS DE H3PO4 Y DETERMINACION DE K1, K2 Y K3

2012-I

TITULACION DE MEZCLA DE H3PO4 Y DETERMINACION DE K1, K2 Y K3

1. FUNDAMENTO TEORICO

Acidopoliprotico:En cualquier ácido poliprótico, la ionización primaria es más completa que la segunda y ésta a su vez más completa que la tercera y así sucesivamente.Para un ácido triprótico, por ejemplo, K1> K2> K3

AcidoFosfórico: El ácido fosfórico (H3PO4), además de formar parte de numerosos compuestos orgánicos (ácidos nucleicos, fosfolípidos, azúcares, etc.) también se encuentra en forma libre, aunque en pequeña proporción

El ácido fosfórico tiene tres protones disociables según las reacciones:

Cada forma, molecular o iónica actúa como ácida respecto a la que tiene a su derecha y como básica respecto a la que tiene a su izquierda. Se pueden establecer, por tanto, tres equilibrios de disociación, cada uno con una constante característica a 25ºC (figura de la derecha):

K1= 5,7 x 10-3 (pK1= 2,2)K2= 6,2 x 10-8 (pK2= 7,2)K3=2,2 x 10-13

(pK3=12,7)

1 LABORATORIO DE ANALISIS QUIMICO CUANTITATIVO


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Titulación del H3PO4 con una base:

Al inicio la adición de iones OH no incrementa de manera significativa el valor del PH de la solución, hasta que casi todo el HCl sea neutralizado y el H3PO4 ha cambiado a H2PO4.

H3PO4 + +OH- =======H2PO4

- + H2O

Cuando incrementa la adición de OH- considerablemente el PH de la solución se tendrá el primer punto equivalente en la titulación. El primer punto equivalente se alcanza cuando ha reaccionado toda la mezcla convirtiéndose en H2PO4

-.

H2PO4 + +OH- ======= HPO4

2- + H2O

El H2PO4- se convierte en HPO4

2- ; si se continúa añadiendo iones OH- , donde estos reaccionaran con un segundo ion hidrogeno.

HPO42+OH- ======= PO4

-+ H2O

Hasta que esta conversión sea casi incompleta solo habrá un cambio pequeño del PH de la solución, después de la adición de la base (solución buffer). Solo al alcanzar el segundo punto equivalente el PH de la solución se modificara de una manera considerable.

El 3er hidrogeno solo reacciona parcialmente con los iones OH- dando PO4

-.

PH metro:Es un equipo capaz de medir el potencial de una solución equipados con dos electrodos con los cuales se puede



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determinar la actividad del ion hidrogeno de una solución. Estos electrodos son:

- Ventajas del PH metro:

Nos da la lectura del Ph directamente. Lecturas constantes e inmediatas. Electrodos pequeños para poder acomodar directamente. Fácilmente adaptable para el registro y control del proceso

2. MATERIALES Y EQUIPO

Materiales:

Soporte Universal. Bureta Pinzas para Bureta Matraz Una pipeta Una pro pipeta Una bureta Un vaso de 150ml Una piceta barrita del agitador magnética

3. DATOS

Volumen añadido y pH

Para H3PO4 Para H3PO4 y KH2PO4 Para H3PO4 y HCl

Volumen (mL) Ph Volumen (mL) Ph Volumen (mL) Ph

0 1.9 0 2.38 0 1.6

1 1.92 1 2.42 1 1.6

2 1.99 2 2.5 2 1.61

3 2.08 3 2.62 3 1.63

4 2.19 4.3 2.96 4 1.66

5 2.34 5 3.46 5 1.68

5.5 2.43 5.5 4.6 6 1.71

6 2.54 6.3 5.73 7 1.74

6.5 2.69 7 6. 8 1.77

7 2.9 8 624 9 1.82

7.5 3.25 9 6.42 10 1.86


Equipo:

- Un PH- metro

- Electrodos


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8 4.47 10 6.6 11 1.93

8.5 11.2 6.78 12 2

9 5.91 12 6.92 13 2.1

9.5 6.16 13 7.05 14 2.23

10 6.33 13.5 7.16 15 2.45

10.5 6.46 14 7.26 16 2.92

11 6.59 14.5 7.37 16.5 3.86

11.5 6.71 15 7.48 17 5.15

12 6.82 15.5 7.68 17.5 5.59

12.5 6.92 16 7.9 18 5.82

13 7.02 16.5 8.36 18.5 6.01

13.5 7.13 17 9.05 19 6.16

14 7.24 17.5 9.74 19.5 6.3

14.5 7.36 18 10.03 20 6.42

15 7.48 18.5 10.3 21 6.65

15.5 7.62 19 10.46 22 6.86

16 7.82 19.5 10.69 23 7.07

16.5 8.06 20 10.74 24 7.32

17 8.48 20.5 10.84 25 7.69

17.5 9.41 21 10.92 26 8.56

18 10.04 22 11.04 26.5 9.35

18.5 10.38 23 11.12 27 9.82

19 10.63 24 11.2 27.5 10.14

19.5 10.82 25 11.25 28 10.36

20 10.99 25.5 11.27 29 10.68

20.5 11.12 26 11.29 30 10.9

21 11.22 26.5 11.32 31 11.05

21.5 11.31 27 11.33 32 11.16

22 11.39 28.1 11.37 33 11.25

22.5 11.45 29 11.39 34 11.33

23 11.51 - - 35 11.39

23.5 11.56 - - 36 11.45

24 11.6 - - 37 11.49

24.5 11.65 - - 38 11.53

25 11.69 - - 39 11.57

25.5 11.72 - - 40 11.6

26 11.76 - - 41 11.63

26.5 11.78 - - 42 11.66

27 11.82 - - 43 11.68

- - - - 44 11.72



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- - - - 45 11.74

- - - - 46 11.76

- - - - 47 11.78

- - - - 48 11.79

- - - - 49 11.81

- - - - 50 11.83

Primera derivada:

Para H3PO4 Para H3PO4 y KH2PO4 Para H3PO4 y HCl

ΔVolumen/2 Δ pH /ΔV ΔVolumen/2 Δ pH /ΔV ΔVolumen/2 Δ pH /ΔV

0,5 0,02 0,5 0,04 0,5 0

1,5 0,07 1,5 0,08 1,5 0,01

2,5 0,09 2,5 0,12 2,5 0,02

3,5 0,11 3,65 0,26 3,5 0,03

4,5 0,15 4,65 0,71 4,5 0,02

5,25 0,18 5,25 2,28 5,5 0,03

5,75 0,22 5,9 1,41 6,5 0,03

6,25 0,3 6,65 0,39 7,5 0,03

6,75 0,42 7,5 0,24 8,5 0,05

7,25 0,7 8,5 0,18 9,5 0,04

7,75 2,44 9,5 0,18 10,5 0,07

8,25 1,26 10,6 0,15 11,5 0,07

8,75 1,62 11,6 0,17 12,5 0,1

9,25 0,5 12,5 0,13 13,5 0,13

9,75 0,34 13,25 0,22 14,5 0,22

10,25 0,26 13,75 0,20 15,5 0,47

10,75 0,26 14,25 0,22 16,25 1,88

11,25 0,24 14,75 0,22 16,75 2,58

11,75 0,22 15,25 0,40 17,25 0,88

12,25 0,2 15,75 0,44 17,75 0,46

12,75 0,2 16,25 0,92 18,25 0,38

13,25 0,22 16,75 1,38 18,75 0,3

13,75 0,22 17,25 1,38 19,25 0,28

14,25 0,24 17,75 0,58 19,75 0,24

14,75 0,24 18,25 0,54 20,5 0,23

15,25 0,28 18,75 0,32 21,5 0,21

15,75 0,4 19,25 0,46 22,5 0,21

16,25 0,48 19,75 0,10 23,5 0,25



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16,75 0,84 20,25 0,20 24,5 0,37

17,25 1,86 20,75 0,16 25,5 0,87

17,75 1,26 21,5 0,12 26,25 1,58

18,25 0,68 22,5 0,08 26,75 0,94

18,75 0,5 23,5 0,08 27,25 0,64

19,25 0,38 24,5 0,05 27,75 0,44

19,75 0,34 25,25 0,04 28,5 0,32

20,25 0,26 25,75 0,04 29,5 0,22

20,75 0,2 26,25 0,06 30,5 0,15

21,25 0,18 26,75 0,02 31,5 0,11

21,75 0,16 27,55 0,04 32,5 0,09

22,25 0,12 28,55 0,02 33,5 0,08

22,75 0,12 - - 34,5 0,06

23,25 0,1 - - 35,5 0,06

23,75 0,08 - - 36,5 0,04

24,25 0,1 - 37,5 0,04

24,75 0,08 - - 38,5 0,04

25,25 0,06 - - 39,5 0,03

25,75 0,08 - - 40,5 0,03

26,25 0,04 - - 41,5 0,03

26,75 0,08 - 42,5 0,02

- - - - 43,5 0,04

- - - - 44,5 0,02

- - - - 45,5 0,02

- - - - 46,5 0,02

- - - - 47,5 0,01

- - - - 48,5 0,02

- - - - 49,5 0,02

Datos para la estandarización del NaOH (0.1N) :

Grupo 1

Masa de ftalato acido de potasio

(0.3 ± 0.05) g

Volumen de NaOH (15.0 ± 0.05) mL

Grupo 2


(0.3 ± 0.05) g




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Grupo 3


(0.31 ± 0.05) g


Masa Molecular de (Ftalato) 204.23 /mol

3.1 Procesamiento de datos

Estandarización del NaOH

TEST Q: A continuación realizaremos la Prueba Q, para descartar el posible dato dudoso (volumen gastado de en la estandarización):

-

Ordenando de menor a mayor los datos:

14.6 ( valormenor ) ,15 ,17.2(valormayor)

- Hallando la Qcalculada para el menor valor:

Qcalculada=15−14.6

17.2−14.6=0.15Qcalculada<Qtabulada

- Hallando la Qcalculada para el mayor valor:

Qcalculada=17.2−15

17.2−14.6=0.84Qcalculada<Qtabulada

- Finalmente se realiza la comparación:

Como los valores son menores al Qtabuladaningún valor se rechaza.

- Para la estandarización del NaOH usamos una cantidad de Ftalato ácido de potasio cumpliéndose en el punto de equilibrio:

¿ Equivalente Ftalato de Potasio=¿ Equivalente NaOH


Q (90% de confianza) Número de observaciones

0.94 3


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W Ftalato

P . EFtalato

=(N .V )NaOH N NaOH=(W ¿¿Ftalato)(θFtalato)

(MFtalato)(V NaOH)¿

- Dónde: (Ftalato) = 1 N NaOH=(0.3g ) (1 )

(204.23 ) (14.6 ) x 10−3=0.101 N

- Para los otros datos:

- Sacando un promedio entre los 3 resultados se tiene:N promedio=0.096 N

Para la determinación de K1 , K2 Y K3

1. Solución de H 3PO4 y KH2PO4: Grafica Volumen vs pH

0 5 10 15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

12

Volumen de NaOH (mL)

pH

- Hallando los Volumenes experimentales en los punto de equilibrio para la solución de H3PO4 titulada con NaOH usando el método de la primera derivada se tiene:


Grupo 1 0.098 NGrupo 3 0.088 N


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0 5 10 15 20 25 300.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

ΔVolumen/2

Δ pH

/ΔV

- De las graficas se observan que los puntos de equilibrio están en los siguientes volúmenes:

V 1=5.5mL yV 2=17 mL,

- Para poder determinar la [H3PO4] inicial empleamos los datos del primer punto equivalente 1:

¿ EquivalenteH 3 PO 4=¿Equivalente NaOH

[H 3PO 4 ] (V M 1 )=[NaOH ] .V NaOH

[H 3PO 4 ]inicial=[NaOH ] .V NaOH

(V M1 )=

( 0.096N )∗(5.5mL)10mL

=0.053 M

- La [H3PO4] que permanece en la solución luego que la reacción se ha producido será la concentración inicial menos la concentración de ácido que ha participado activamente en la reacción (vale decir aquella que ha reaccionado con el volumen de NaOH añadido y que es además igual a la [H+]

[H 3 PO 4]Permaneceenla solución=[H 3 PO 4]inicial−[H 3 PO 4]reacciona

- Pero: [H 3 PO 4]reacciona=[H 3 PO4 ]reaccionacon NaOH=¿



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- Si: Ph = 2.38 [H 3 PO 4]reacciona=10−2.38=4.169∗10−3 M

[H 3 PO 4]Permaneceenla solución=0.053 M−4.169∗10−3 M=0.049 M

- Para calcular las constantes es necesario apoyarnos en las reacciones que se van produciendo, es así que para determinar la primera constante tenemos, que en el primer punto equivalente:

H3PO4 H2PO4- + H+

- Dónde: K1= [H2PO4-][ H+]/[H3PO4]

- Así mismo, en el primer punto equivalente se cumple que: [H2PO4-] =

[ H+]- La constante de equilibro K1 será:

K 1=(4.169∗10−3M )(4.169∗10−3M )

0.049 M=3.547∗10−4 M

p (K1 )=3.45

- Para poder determinar la concentración de NaH2PO4 ,el volumen empleado de NaOH será igual a :(V2 -2V1)ml.

- Luego, en el punto de equivalencia 2 se tendrá que: (VM2= 10ml)

Eq−g KH 2PO 4=¿Eq−g NaOH

[KH 2PO4 ] (V M 2)=[ NaOH ] . [(V ¿¿2−V 1)−V 1]¿

- Reemplazando los valores tenemos:

[KH 2PO4 ]=[ NaOH ] .(V ¿¿2−2V 1)

(VM 2 )=

(0.096 N )∗(6 mL)10mL

=0.058 M ¿

- La segunda reacción producida en el segundo punto equivalente es:

H2PO4- HPO4

-2 + H+



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- La constante de disociación será:K2= [HPO4-2][ H+]/[H2PO4

-]

- Para poder determinar la segunda constante se hace uso del 2 punto semiequivalente.En dicho punto se cumple que:[H2PO4

-] = [HPO4-2]

- Finalmente, reemplazando tal afirmación en la ecuación; la segunda constante quedará reducida a:K2= [ H+]

- Como el 2 punto semiequivalente está en

V=V 1+V 22

=11.25⟶ pH=6.8

- Entonces:

K 2=10−6.8=1.584∗10−7M⟶ p (K 2 )=6.82. Solución de H 3PO4: Grafica Volumen vs pH

0 5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

12

14

Volumen añadido de NaOH (mL)

pH

- Hallando los Volumenes experimentales en los punto de equilibrio para la solución de H3PO4 titulada con NaOH usando el método de la primera derivada se tiene:



2012-I

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

ΔVollumen /2

ΔpH

/ΔV

- De las graficas se observan que los puntos de equilibrio están en los siguientes volúmenes:V 1=8.5mL yV 2=17.5mL,

- Para poder determinar la [H3PO4] inicial empleamos los datos del primer punto equivalente 1:



[H 3PO 4 ]inicial=[NaOH ] .V NaOH

(V M1 )=

( 0.096N )∗(8.5mL)10mL

=0.082 M

- La [H3PO4] que permanece en la solución luego que la reacción se ha producido será la concentración inicial menos la concentración de ácido que ha participado activamente en la reacción (vale decir aquella que ha reaccionado con el volumen de NaOH añadido y que es además igual a la [H+]

[H 3 PO 4]Permaneceenla solución=[H 3 PO 4 ]inicial−[H 3PO 4 ]reacciona

- Pero: [H 3 PO 4]reacciona=[H 3 PO4 ]reaccionacon NaOH=¿



2012-I

- Si: Ph = 1.9 [H 3 PO 4]reacciona=10−1.9=0.013 M

[H 3 PO 4]Permaneceenla solución=0.082 M−0.013 M=0.069M

- Para calcular las constantes es necesario apoyarnos en las reacciones que se van produciendo, es así que para determinar la primera constante tenemos, que en el primer punto equivalente:

H3PO4 H2PO4- + H+

- Dónde: K1= [H2PO4-][ H+]/[H3PO4]

- Así mismo, en el primer punto equivalente se cumple que: [H2PO4-] =

[ H+]

- La constante de equilibro K1 será:

K 1=(0.013 M )(0.013 M )

0.069M=2.449∗10−3 M

- La segunda reacción producida en el segundo punto equivalente es:

H2PO4- HPO4

-2 + H+

- La constante de disociación será:K2= [HPO4-2][ H+]/[H2PO4

-]

- Para poder determinar la segunda constante se hace uso del 2 punto semiequivalente.En dicho punto se cumple que: [H2PO4

-] = [HPO4-2]

- Finalmente, reemplazando tal afirmación en la ecuación; la segunda constante quedará reducida a:K2= [ H+]

- Como el 2 punto semiequivalenteesta en

V=V 1+V 22

=13 mL⟶ pH=7.02

Entonces:



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K 2=10−7.02=9.550∗10−8 M

3. Solución de H 3PO4 y HCl: Grafica Volumen vs pH

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 550

2

4

6

8

10

12

14

Volumen añadido de NaOH (mL

pH

Usando el metodo de la primera derivada:



2012-I

De la primera grafica hallamos los Volúmenes experimentales en el punto de equilibrio para la solución de H3PO4 y HCl,titulada con NaOH usando el método de la primera derivada :

V1= 16.5 ml con un pH1=3.86V2= 26 ml con un pH2=8.56

Para poder determinar la [H3PO4] inicial debemos emplear los datos del primer y segundo punto equivalente:



[H 3PO 4 ] (V M 1 )=[NaOH ] .(V 2−V 1)NaOH

[H3PO4 ] inicial=[0.096] .(26−16.5)mlNaOH

(10ml ) = 0.091M

Calculo de K1 del H3PO4:

Para calcular las constantes es necesario ayudarnos de las reacciones que se van produciendo, es así que para determinar la primera constante tenemos, que en el primer punto equivalente:

H3PO4 H2PO4- + H+

Dónde: K1= [H2PO4-][ H+]/[H3PO4]

Así mismo, sabemos que en el primer punto equivalente se deberá cumplir:

[H2PO4-] = [ H+]

También, la [H3PO4] que queda en la solución luego que la reacción se ha producido será la concentración inicial menos la concentración de ácido que ha participado activamente en la reacción es decir, aquella que ha reaccionado con el volumen de NaOH añadido y igual a la [H+].

[H 3 PO 4]Permaneceenla solución=[H 3 PO 4]inicial−[H 3 PO 4]reacciona



2012-I

[H 3 PO 4]reacciona=¿

Hallando la [H+]

Si: pH = 1.6 [H 3 PO 4]reacciona=¿

Luego calculamos la concetracion de HClinical:

[ HCl ] (V M 1 )=[NaOH ] .(2V 1−V 2)NaOH

[ HCl ]=[0.096] .(7 ml)NaOH

(10ml )=0.067 M

[ H 3PO 4 ]Permaneceenla solución=0.091 M−0.025 M=0.066M

Entonces la primera contante será:

K 1=¿¿=0.025∗0.025

0.066= 9.470x10-3

Luego para el cálculo de la segunda constante:K2

La segunda reacción producida en el segundo punto equivalente es:

H2PO4- HPO4

-2 + H+

La constante de disociación será: K2= [HPO4

-2][ H+]/[H2PO4-]

Se sabe que en dicho punto se debe cumplir que: [H2PO4-] = [HPO4

-2]Entonces la segunda constante de equilibrio estará dada solo por la concentración de hidrógenos:

K2= [ H+]Hallando la [H+]:



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El segundo punto semiequivalente está determinado por V = (V1+V2) / 2 y un pH que se obtiene de la gráfica:

si pH= 6.76 entonces ¿

entonces:

K2= 1.738∗10−7 M

4. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

- Con nuestros datos obtenidos para la estandarización se obtuvo el valor de la concentración de NaOH igual a 0.101, pues resulto muy aproximado al valor rotulado de O.1N.

- Para la calibración del PH metro se usó las soluciones buffer de tartrato acido de potasio cuyas PH rotulados son de 4,01 ± 0.01 y de 7.00 ± 0.02, obteniendo en nuestra lectura los valores de 4 y 7 respectivamente, con esto podemos cas asegurar que el equipo esta calibrado.

¿En cuánto difieren los pk1 y pk2 de la solución trabajada en nuestra experiencia (H3PO4 Y K2HPO4)?

valor teórico

Valores experimental

Pk1 2.2 3.45Pk2 7.2 6.8

El primer valor difiere mucho respecto al valor teórico, pues podemos decir que hubo un mal manejo en las mediciones del PH y de los volúmenes medidos.

- La concentraciones inícialesH3PO4 Y K2HPO4 halladas mediante nuestros cálculos son de 0.053 y 0.058 respectivamente.

- Para el cálculo del valor de K2, puesto que en el segundo punto equivalente [H2PO4

-] = [HPO4-2], entonces se deduce que el K2 solo

dependerá de la concentración de H+ , K2 =[ H+].

5. OBSERVACIONES



2012-I

- Para la estandarización del NaOH usamos la solución de ftalato acido de potasio y como indicador la fenolftaleína.

- Se estandarizo el PH metro con dos soluciones buffer de tartrato acido de potásico; cuyas lecturas leídas fueron de PH igual a 4 y 7.

- El potenciómetro que se usó para hallar el PH de la solución a pesar de estar calibrado, el dato de salida de PH tenía una variación, pero el rangode esta variación era mínimo; notamos que nos proporcionaban los datos inmediatamente.

6. CONCLUSIONES

- Una vez más comprobamos la importancia del ftalato ácido de potasio (KHP) para estandarizarbases de Brønsted y en particular al hidróxido de sodio.

- Se comprobó las ventajas que nos ofrece el PH metro, como de proporcionarnos directamente el PH, dándonos lecturas constantes e inmediatas.

- En nuestro caso (mezcla de H3PO4 Y K2HPO4) se pudo hallar las constante de K1 y K2; pues la solución buffer tiene efecto después de alcanzar el primer punto equivalente.

7. APLICACIONES

APLICACIONES DEL ACIDO FOSFORICO:

- El ácido fosfórico es usado como regulador de pH en diferentes industrias, como levaduras, cervezas, aceites y bebidas refrescantes.

- El ácido fosfórico técnico interviene en los tratamientos de fosfatado de metales, siendo la industria automovilística su primer consumidor, y asimismo, se emplea en los baños para el abrillantado del aluminio.

- El ácido fosfórico se utiliza para el blanqueo del caolín, mediante la reducción y posterior eliminación de los iones férricos presentes en el mineral.

- El ácido fosfórico se utiliza en la preparación de abonos y en el riego por goteo. Es, además, el punto de partida para la obtención de fosfato monoamónico, usado en fertirrigación y en abonos foliares.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

- Schenk, G.; Química Analítica Cuantitativa; Ed. CECSA. México 1984. págs: 420-424



2012-I

- http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-del-acido-fosforico-8718.htm

- Recursosbiblioteca.utp.edu.co/tesisdigitales/texto/54308H565.pdf


http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-del-acido-fosforico-8718.htm

http://www.quiminet.com/articulos/aplicaciones-del-acido-fosforico-8718.htm

laboratorio nº6 de analisis quimico cuantitativo

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