Capítulo 9. Práctica 7 Soluciones I preparación y estandarización

Esta práctica de laboratorio esta diseñada con el propósito de que el estudiante se familiarice con las operaciones básicas de preparación y estandarización o normalización de soluciones. Para una mejor comprensión, se espera que el estudiante halla adquirido previamente, una instrucción mínima en al realización de montajes sencillos de laboratorio y en el manejo de los conceptos necesarios para comprender e interrelacionar, las diferentes formas de expresar la concentración de una solución.

9.1 Objetivos generales

• Fortalecer los conceptos de solución, molaridad, normalidad, PPV y ppm, y adquirir habilidad y competencia en las operaciones básicas de preparación de soluciones.

• Comprender, aplicar e interrelacionar las diferentes formas de expresar la concentración de

una solución.

• Perfeccionar habilidades y competencias en las operaciones básicas de laboratorio, tales como medición de volúmenes con diferentes instrumentos, realización de montajes básicos y preparación de soluciones, entre otras.

• Correlacionar teoría y práctica: ecuaciones, leyes y teorías con resultados experimentales

en el laboratorio.

• Desarrollar en el estudiante su capacidad crítica para observar, analizar y extraer conclusiones a partir de datos experimentales.

9.2 Objetivos específicos

• Aprender a preparar soluciones diluidas a partir de otras mas concentradas.

• Aprender a preparar soluciones a partir de las mediciones directas de soluto y solvente.

• Aprender a expresar y a referir la concentración de una solución en sus diversas formas.

• Entender el sentido de las mediciones volumétricas y adquirir habilidad y destreza en la realización de titulaciones volumétricas.

• Adquirir habilidad y destreza en la realización de montajes de laboratorio y en las

operaciones básicas de preparación y estandarización de soluciones.

• Aprender a realizar informes técnicos

9.3 Materiales y reactivos

• 1 Beaker o Vaso de Precipitados de 100 mls. • 2 Erlenmeyer 250 mls. • 1 Matraz aforado de 250 mls.

• 1 Matraz aforado de 100 mls • Un Vidrio de Reloj • 1 Bureta de 25 mls • 1 Pipeta graduada de 25 mls. • 1 Pipeta aforada de 10 mls. • 1 Pinza para bureta • Soluciones indicadoras de Fenolftaleina y Azul de Bromotimol. • Soluciones Patrón de NaOH y H B2BSO B4B, 0,1 N

Adicional a lo anterior, cada grupo de estudiantes deberá llevar a la práctica como implementos generales, el Cuaderno de Laboratorio, una blusa blanca larga, Toallas de papel blancas, cinta de enmascarar y marcadores tinta indeleble. Como muestras de trabajo, deberá llevar también, un vinagre comercial, creolina, leche de magnesia, un blanqueador amoniacal, y un producto para comercial para destaponar cañerías.

9.4 Fundamentación teórica 9.4.1 CONCEPTOS GENERALES Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o más substancias, que pueden separarse por métodos físicos en sus diversas substancias componentes. En una solución, aquella substancia que se encuentra en mayor proporción se conoce como “Solvente” y las demás como “Solutos”. La relación o proporción de la mezcla soluto a solvente se conoce como concentración, término equivalente a densidad e intensidad, Figura No 7.1.

FIGURA 9.1 DENSO O CONCENTRADO “VS.” POCO DENSO O DILUIDO. TFUENTE: AUTOR

Las soluciones verdaderas difieren de las suspensiones y de los sistemas coloidales, fundamentalmente en el tamaño de partícula del soluto o de la fase dispersa y en las propiedades que derivan de dicha diferencia. En general, las soluciones verdaderas en fase líquida, no desprenden soluto por decantación ni tienen la propiedad de dispersar la luz. En rigor, se dice que una partícula se encuentra en solución cuando esta se halla dispersa en otro medio, en un grado de fragmentación inferior a 0,45 µ. Existen varias formas de referirse a la concentración de una solución, esto es, a la proporción de soluto a solvente. Para efectos cualitativos, frecuentemente se habla de “soluciones diluidas, concentradas, saturadas o sobresaturadas”. Sin embargo, ya que en muchos casos estas descripciones cualitativas no son suficientes, la forma cuantitativa de referirse a la proporción de soluto a solvente (concentración) de una solución, es mediante los conceptos de Molaridad, M, Normalidad, N, el Porcentaje Peso a Peso, PPP el Porcentaje Peso a Volumen, PPV, las Partes por Millón, ppm, y las Partes por Billón, ppb.

9.4.1.1 MOLARIDAD La molaridad es por excelencia, la forma como se expresa la concentración de una solución en trabajos de química, física, biología o ingeniería. La Molaridad es por definición, el número de moles de soluto que se hallan contenidos en un litro de solución y se representa por M. La molaridad, además de ser la expresión de más amplia aceptación para referirse a la concentración de una solución, también es en el laboratorio la mejor forma para prepararla, Figura No 9.2.

FIGURA 9.2 SOLUCIÓN 1,0 MOLAR. FUENTE: AUTOR

Número de Moles de SolutoMolaridad = ------------------------------------- Número de Litros de Solución 9.4.1.2 PORCENTAJE PESO A PESO El “Porcentaje Peso a Peso” es una relación que expresa los gramos de soluto que se hallan contenidos en cada 100 gramos de solución. Esta forma de expresar la concentración implica al momento de preparar una solución, pesar separadamente el soluto y el solvente. Si bien, este procedimiento facilita la comprensión de la “proporción de la mezcla”, la aplicación de esta forma de referirse a la concentración en el trabajo rutinario de laboratorio se dificulta un poco, debido a que obliga a conocer también, la densidad de la solución. A esta desventaja se le suma el hecho de que a los líquidos, es más fácil medirles el volumen que medirles la masa. La expresión porcentual peso a peso de las soluciones se conserva particularmente, para las soluciones acuosas de los gases, tales como el HCl, el HF, el HBr y el NH3. La mayoría de los ácidos que se utilizan como reactivos en el laboratorio (clorhídrico, nítrico, sulfúrico, acético y fosfórico, entre otros) vienen con sus concentraciones expresadas en términos de porcentaje peso a peso. Para facilitar el manejo de estas soluciones, la concentración peso a peso de la solución se acompaña con tablas que registran la densidad de la solución a diferentes concentraciones. Gramos de soluto PPP = --------------------- 100 gramos de solución

9.4.1.3 PORCENTAJE PESO A VOLUMEN

El porcentaje Peso a Volumen es una relación que expresa los gramos de soluto que se hallan contenidos en cada 100 mililitros de solución. Esta forma de expresar la concentración de una solución facilita enormemente su preparación y aplicación; el único inconveniente radica en que el porcentaje peso a volumen es una unidad muy grande para muchos fines analíticos frecuentes. Generalmente, cuando se expresa la concentración de una solución en términos porcentuales, la expresión se refiere al porcentaje peso a volumen. Gramos de soluto PPV = --------------------- 100 mililitros de solución

9.4.1.4 PARTES POR MILLÓN La expresión porcentual o molar para referirse a la concentración de una solución, se aplica generalmente a las soluciones en las cuales la proporción de soluto a solvente es relativamente alta, proporción que generalmente se halla en la escala de las “partes por mil”. Sin embargo, existen muchas substancias cuya concentración regular en una solución es mucho menor que las partes por mil. Las Partes por Millón son una relación que expresa las partes de soluto que se hallan contenidas en un millón de partes de solución. De esta forma, las partes por millón pueden expresarse como “los gramos de soluto por metro cúbico de solución”, “los gramos de soluto por tonelada de solución” o “los miligramos de soluto por kilogramo de solución”. Ya que esta forma de expresar la concentración de una solución se utiliza particularmente para soluciones muy diluidas y como un kilogramo de agua equivale a un litro en términos de volumen, generalmente las partes por millón se asocian a “los miligramos de soluto contenidos en cada litro de solución”.

Gramos de soluto Gramos de soluto Miligramos de soluto ppms = --------------------- ------------------------ -------------------------- Tonelada de solución Metro cúbico de solución Litro de solución.

-

9.4.2 PREPARACIÓN DE SOLUCIONES Uno de los problemas que con mayor frecuencia se deben resolver en un laboratorio, lo constituye el acondicionamiento de la concentración de las soluciones a las necesidades específicas de los diferentes usos; esto, debido a que con frecuencia la concentración de las soluciones de trabajo dista mucho de la concentración de los reactivos en su presentación comercial. Este es precisamente el caso de los ácidos clorhídrico, nítrico, sulfúrico, fosfórico y acético, cuyas soluciones de trabajo se preparan normalmente por dilución de otras mas concentradas. También en algunos casos, son las mismas muestras las que deben diluirse con objeto de adecuar la concentración de alguno de sus constituyentes al rango de medición de un método específico de análisis. Todos estos procedimientos de dilución, implican técnicas y cálculos que es preciso conocer y desarrollar para poder realizar. A manera de ejemplo, considérese el caso de la preparación de 250 mls de una solución 0,10 M de ácido sulfúrico, a partir de una solución concentrada cuya “densidad es 1,82 g/cc y cuya composición porcentual es del 91,11 % peso a peso”1. ¿Cual sería el procedimiento para prepararla?

1 Esta es la forma general de presentación de la mayoría de los ácidos comerciales.

Si 182 g Solución Ácido Sulfúrico → 100 % ? → 91.11 %

? = 165,82 g. Así, 100 mls de solución de ácido sulfúrico pesan 182 g y contienen 165,82 g del producto ácido sulfúrico. La masa faltante, representa la masa del agua o de las impurezas. Ahora bien, si un mol de H B2BSO B4B, pesa 98 g. entonces, en 165,82 g habrán 1,692 moles de H B2BSO B4B,. Esto significa que 100 mls del ácido sulfúrico concentrado contienen 1,692 moles y que por tanto un litro contendrá 16,92 moles, es decir, que el reactivo de partida es una solución 16,92 M en H B2BSO B4B. Hasta este punto, es claro que se quiere preparar una solución 0,10 M a partir de otra 16,92 M. Es fácil darse cuenta que para poder hacer esto, es necesario diluir la solución concentrada, (FD = 16,92 / 0,10), 169,2 veces. Este grado de dilución puede alcanzarse fácilmente si se toma un mililitro de la solución concentrada y se lleva con agua destilada hasta un volumen final de 169,2 mls. O bien, por facilidad operativa, tomando 1,47 mls de solución concentrada y diluyendo con agua hasta un volumen total de 250 mls. Aunque teóricamente este es el procedimiento de cálculo y la forma como se debe preparar la solución, en la práctica existen algunos inconvenientes que obligan, a que una vez que la solución ha sido preparada en la forma descrita, deba realizarse un proceso de confirmación de ésta concentración. Dicho proceso de “chequeo o certificación” se conoce como “valoración”. Así, “valorar” una solución, es certificar su concentración por comparación con la concentración de una solución patrón o de referencia. 9.4.3 ANÁLISIS VOLUMÉTRICO En el análisis volumétrico se determina la concentración de una solución cuya concentración se desconoce, midiendo el volumen que se requiere de ella para reaccionar con un volumen fijo de otra solución cuya concentración es perfectamente conocida. Esta operación, que se conoce como “titulación, normalización o valoración volumétrica”, exige el conocimiento de la reacción química involucrada. Las reacciones de titulación pueden ilustrarse mediante el siguiente ejemplo pictórico: Asuma que los círculos de la figura 9.3 representan “unidades infinitesimales” de volumen de dos soluciones cuyos solutos reaccionan instantáneamente y que las figuras circunscritas (barcazas y remeros), representan las partículas individuales de soluto (iones o moléculas). Para efectos prácticos, dichas unidades infinitesimales podrían fijarse en “un mililitro. Nótese que si bien la concentración de las soluciones (definida como el número de partículas de soluto por unidad de volumen de solución) es fácil darse cuenta que cada barcaza requiere de dos remeros y que por tanto, cada infinitesimal de solución de la izquierda, “reacciona exactamente” con dos infinitesimales de solución de la derecha, apreciación que se resume diciendo que la estequiometría de la reacción es “de uno a dos” y que significa que “un mililitro de solución de la izquierda, reacciona exactamente con dos mililitros de solución de la derecha”... En el trabajo rutinario de laboratorio, el conocimiento de la estequiometría de las reacciones se utiliza con frecuencia para determinar (esto es, valorar) la concentración de soluciones cuya concentración se desconoce.

FIGURA 9.3 REACCIÓN DE TITULACIÓN UNO A DOS. FUENTE: AUTOR

El proceso de adición de un volumen medido de la solución de concentración conocida para que reaccione con el soluto contenido en un volumen fijo de la solución de concentración desconocida se conoce como “Valoración Volumétrica”. La Figura 9.4 ilustra el procedimiento operativo de una titulación volumétrica en el laboratorio.

FIGURA 9.4 TITULACIÓN VOLUMÉTRICA. FUENTE: AUTOR

En una titulación, la solución de concentración conocida se conoce como Solución Patrón y la de concentración desconocida como Solución Problema. El punto en el cual la cantidad del soluto contenido en un volumen fijo de Solución Patrón, equivale químicamente a la cantidad de soluto contenido en un volumen fijo de la Solución Problema, se conoce como Punto de Equivalencia o Punto Estequiométrico. El reactivo que se adiciona desde la bureta se conoce como “Agente Titulante” y la substancia que reacciona con él y que se halla presente en la solución problema se conoce como “Agente Titulado”. Con frecuencia, se agrega a la mezcla reaccionante una sustancia que tiene por objeto “indicar” el momento en el cual la valoración ha alcanzado el “punto de equivalencia”. Desde el punto de vista químico, un “indicador” es una substancia que reacciona con el agente titulante pero cuya constante de formación es menor que la correspondiente al producto de la reacción entre el agente titulante y el agente titulado. Así, el indicador reacciona solamente cuando en el medio ya no existe el agente titulado. Como ya se dijo antes, en el punto final de una valoración volumétrica la cantidad del agente titulado debe ser igual a la cantidad del agente titulante o lo que es lo mismo, en el punto final de

una valoración, las concentraciones de los solutos reaccionantes deben ser equivalentes. Por tal razón,

VSOLUCIÓN PATRON x CSOLUCIÓN PATRÓN = VSOLUCIÓN PROBLEMA x CSOLUCIÓN PROBLEMA. Hecho este que se resume generalmente mediante la ecuación, V1 x C1 = V2 x C2. Y puesto que la concentración puede expresarse en términos de Molaridad o Normalidad, entonces se particulariza a V1 x M1 = V2 x M2 o V1 x N1 = V2 x N2.

9.5 Procedimiento Los estudiantes de laboratorio se repartirán en dos grandes grupos o Mesas de Trabajo, y en cada una de ellas, se distribuirán en 4 grupos de trabajo, uno en cada extremo de la mesa, constituidos por dos o máximo, tres estudiantes. En la Mesa No 3 estarán ubicados todos los reactivos de uso compartido, por lo que se solicita a los estudiantes, desplazarse a este sitio y utilizarlos ordenadamente, cada vez que lo requiera, procurando en todo caso, mantener esta área despejada para facilitar el acceso. En el Grupo o Mesón No 1, cada uno de los grupos de trabajo deberá preparar 250 mls de solución de hidróxido de sodio, NaOH de concentración lo mas cercana posible al 0,1 N. Para ello, pesarán 1,00 g de NaOH y los disolverán a un volumen total de 250 mls. Una vez preparada la solución de NaOH, esta deberá valorarse mediante titulación con Solución Patrón de ácido 0,10 N, utilizando fenolftaleina o Azul de Bromo timol como indicador del punto final de la titulación. Realice esta operación al menos cuatro veces, promedie y obtenga la precisión de sus mediciones. Posteriormente y una vez conocida la concentración exacta de la solución de NaOH preparada, los estudiantes deberán medir, también por cuadruplicado, la concentración ácida de un vinagre comercial. Finalmente, medirán con esta solución la concentración de la solución ácida preparada por alguno de los grupos del Mesón No 2. En el informe, se deberán presentar los resultados y los valores de precisión y exactitud, con los cuales fueron medidas tanto la concentración de la solución de NaOH como la concentración del vinagre comercial. Para calcular la exactitud, refiéranse a la concentración de la Solución Patrón y a la concentración inscrita en la etiqueta del vinagre comercial, como valores verdaderos. Para el caso de las soluciones ácidas preparadas por el Mesón No 2, tome como valor verdadero la concentración de su propia solución. En el Grupo o Mesón No 2, cada uno de los grupos de trabajo deberá preparar 250 mls de solución de H2SO4 de concentración lo mas cercana posible al 0,1 N. Para ello, medirán 5 mls de H2SO4 de concentración 90 % P/P y densidad 1,80 g/cc y los diluirán en agua hasta un volumen total de 100 mls, Solución A. Tomarán entonces 13,5 mls de la Solución A y los diluirán con agua hasta un volumen total de 250 mls. Una vez preparada la solución de H2SO4, esta deberá valorarse mediante titulación con Solución Patrón de base 0,10 N, utilizando fenolftaleina o Azul de Bromo timol como indicador del punto final de la titulación. Realice esta operación al menos cuatro veces, promedie y obtenga la precisión de sus mediciones. Posteriormente y una vez conocida la concentración exacta de la solución de H2SO4 preparada, los estudiantes utilizarán esta solución para medir, también por cuadruplicado, la concentración básica

de dos productos comerciales alcalinos, un antiácido y un producto para destapar cañerías. Finalmente, medirán la concentración alcalina de la solución preparada por alguno de los grupos del Mesón 1. En el informe, se deberán presentar los resultados y los valores de precisión y exactitud, con los cuales fueron medidas, tanto la concentración de la solución de H B2BSO B4B como la concentración del producto comercial alcalino. Para calcular la exactitud, refiéranse a la concentración de la Solución Patrón y a la concentración inscrita en la etiqueta del producto comercial, como valores verdaderos. Para el caso de las soluciones básicas preparadas por el Mesón 1, tome como valor verdadero la concentración de su propia solución. Para el trabajo ordenado de los datos, apóyese en la tabla 9.1 Mililitros de H B2BSOB4B concentrado V. final A Alícuota A V. Final B Concentración por valoración Promedio 100 mls 13,5 mls 250 mls

Soluciones Problema Mililitros de antiácido V. final A Alícuota A V. Final B Concentración por valoración Promedio Mililitros de DR V. final A Alícuota A V. Final B Concentración por valoración Promedio Mililitros de Producto “X” V. final A Alícuota A V. Final B Concentración por valoración Promedio

TABLA 9.1. TABLA DE TRABAJO

9.6 Preguntas y temas de reflexión

• ¿Que tanto difieren las concentraciones de las soluciones, recién preparada y valorada?

• ¿A que atribuye estas diferencias?

• Mencione cinco ejemplos de procesos industriales en donde las titulaciones volumétricas sean importantes. Explique detalladamente encada caso.

• Defina con sus propias palabras, valoración volumétrica, punto de equivalencia e indicador

de reacción.

• ¿Como actúa un indicador ácido base?

9.7 Bibliografía Brescia, Mehlman, Pellegrini, Stabler, Química. Capítulo 12. Editorial Interamericana, México, D. F. 1977. http//WW.fisicanet.com. Sección General de Química Ayres Gilbert. Química Analítica Cuantitativa, Capítulos varios. Editorial Harla, Mexoco, D. E. 1980 Curtman, J. Análisis Químico Cualitativo. Capítulos varios. Manuel Marín y Cia, Editores, Barcelona, España, 1960. www.sparknotes.com/chemistry/solutions/intro/ www.fcm.unc.edu.ar/nivelador/programa-modIII.htm www.fiobera.unam.edu.ar/Materias/ Quimica/QUIMICA_CLASE_8.ppt www.eneayudas.cl/soluc.htm www.mdp.edu.ar/exactas/instituto/Soluciones.pdf