Titolazioni Acido-Base - Dipartimento di Scienze Chimiche

Titolazioni Acido-Base
Queste slides riportano materiale gentilmente concesso
dal Dr. Valerio Di Marco- Dip. Scienze Chimiche – Univ. Padova
Le titolazioni acid base permettono di misurare la concentrazione di un acido
o una base, presente in un sistema, attraverso un processo di reazione
quantitativa con una base forte o un acido forte, rispettivamente .
Attraverso questo procedimento è possibile determinare quantitativamente la
concentrazione della soluzione acida o basica incognita.
Nel seguito si descrivono i seguenti processi di titolazione:
Acido forte (analita) con Base forte (titolante)
Base forte (analita) con Acido forte (titolante)
Acido debole (analita) con Base forte (titolante)
Base debole (analita) con Acido forte (titolante)
Il titolante è sempre un acido o una base forte dal momento che garantisce una
reazione quantitativa e veloce con l’analita.
1
Titolazione Acido Forte – Base Forte
Obiettivo della titolazione è determinare la concentrazione di acido forte
presente nella soluzione indagata.
Il metodo utilizzato per seguire le variazioni che avvengono nell’ambiente di
reazione per aggiunta del titolante prevede la misura della concentrazione di
una delle specie presenti in soluzione come: [H3O+], pH o le concentrazioni
delle specie acido/base, dal momento che esse variano al variare della
composizione della soluzione.
La reazione che avviene nella titolazione dell’ HCl da parte di NaOH è:
HCl(aq)  NaOH(aq)  Na  (aq)  Cl  (aq)  H 2 O
Per questa reazione la costante di equilibrio è:
1
 1014
K
Kw
La reazione è quindi molto spostata verso i prodotti; uno dei requisiti richiesti
per essere una buona reazione di titolazione.
2
Ad un volume noto di soluzione di HCl si aggiungono aliquote crescenti di NaOH,
e si misurano (almeno idealmente) le concentrazioni delle specie presenti in
soluzione: [Na+], [Cl–] e [H3O+]
Supponiamo di titolare 100 mL
(V0HCl) di una soluzione 0.1 M di
HCl (C0HCl) con una soluzione 0.1 M
di NaOH (C0NaOH)
NaOH (0.1M)
HCl (100 mL, 0.1M)
NB: le aggiunte di NaOH fanno variare il volume totale nella beuta, per conoscere
la concentrazione molare delle specie nella beuta, bisogna tenere conto della
diluizione operata con l’aggiunta del titolante.
3
Calcolo delle concentrazioni di [Na+], [Cl–] e [H3O+] tramite foglio elettronico:
All’equilibrio le specie presenti in soluzione, dopo ogni aggiunta di titolante sono:
K W  [H 3O  ][OH  ]
[OH  ]  [Cl  ]  [H 3O  ]  [Na  ]

[Cl ]  C

0
HCl
[Na ]  C
0
VHCl
0
VHCl
 Vt
0
NaOH
Vt
0
VHCl
 Vt
Sostituendo nel bilancio di carica [OH−] con KW/[H3O+] e esplicitando rispetto alla
concentrazione di [H3O+]:
KW
 [Cl  ]  [H 3O  ]  [Na  ]

[H 3O ]
[H 3O  ] 

 [Cl
1



[Cl
]
[Na
]
2 


2
]  [Na  ]  4K w 

In un foglio elettronico si possono impostare queste equazioni e calcolare le
concentrazioni di [H3O+], [Na+], [Cl−] in funzione di Vt.
4
Vt
(ml)
[Na+]
(mol l-1)
[Cl−]
(mol l-1)
[H3O+]
(mol l-1)
pH
0
0.000
0.100
0.100
1
10
0.009
0.091
0.082
1.09
30
0.023
0.077
0.054
1.27
60
0.037
0.063
0.025
1.60
90
0.047
0.053
5.26×10-3
2.28
99
0.0497
0.0503
5.03×10-4
3.30
100
0.0500
0.0500
1.00×10-7
7.00
101
0.0503
0.0497
2.01×10-11
10.70
110
0.0524
0.0476
2.10×10-12
11.68
130
0.0565
0.0434
7.67×10-13
12.11
150
0.0600
0.0400
5.00×10-13
12.30
200
0.0667
0.0333
3.00×10-13
12.52
5
Si riporta in grafico la variazione delle concentrazione delle specie presenti nel
sistema in funzione di Vt per vedere quale sia meglio seguire per individuare il
punto di fine e quindi il punto equivalente per la titolazione:
[Cl–]
[Na+]
Vt
Nel caso delle concentrazioni
degli ioni associati all’acido e
alla base debole non si notano
variazioni nette in
corrispondenza del punto
equivalente.
Vt
6
Si riporta in grafico la variazione della concentrazione di [H3O+] nel sistema in
funzione di Vt :
[H3O+]
Vt
7
Si riporta in grafico la variazione del pH nel sistema in funzione di Vt :
pH
Vt
Come si può notare il grafico che riporta l’andamento di pH vs Vt è quello che
permette di individuare in maniera più netta il punto di fine e quindi il punto
equivalente per la titolazione.
Questo punto corrisponde con il punto di massima pendenza nel grafico:
8
Se si cambia C0 la concentrazione iniziale di analita cambiano i pH di inizio e di
fine, ma le altre caratteristiche grafiche della curva restano immutate:
14
14
14
12
pH
10
12
pH
10
12
pH
10
8
8
8
6
6
6
4
4
4
2
CA = 10-1 M
CA = 10-3 M
2
0
0
0.0
0.5
1.0
1.5 x 2.0
CA = 10-5 M
2
0
0.0
0.5
1.0
1.5 x
2.0
0.0
0.5
1.0
1.5 x
2.0
Meno concentrato è l’acido da titolare, minore è il salto di pH in
corrispondenza del PE
Se il salto non è molto accentuato, è più difficile “accorgersi” che siamo al PE,
cioè è più facile sbagliare Vt(PE) (e quindi nA)
Affinché il PE possa essere identificato con accuratezza, C0A dovrebbe
essere maggiore di circa 10–4 M
9
Titolazione Base Forte – Acido Forte
Obiettivo della titolazione è determinare la concentrazione di base fortepresente
nella soluzione indagata.
La reazione che avviene nella titolazione dell’ NaOH da parte di HCl è:
NaOH(aq)  HCl(aq)  Na  (aq)  Cl  (aq)  H 2 O
Per questa reazione la costante di equilibrio è:
1
 1014
K
Kw
La reazione è quindi molto spostata verso i prodotti; uno dei requisiti richiesti
per essere una buona reazione di titolazione.
Supponiamo di titolare 100 mL (V0NaOH) di una soluzione 0.1 M di NaOH
(C0NaOH) con una soluzione 0.1 M di HCl (C0HCl)
10
Ad un volume noto di soluzione di NaOH si aggiungono aliquote crescenti di HCl,
e si misurano (almeno idealmente) le concentrazioni delle specie presenti in
soluzione: [Na+], [Cl–] e [H3O+]:
Per osservare come variano le concentrazioni di [Na+], [Cl–] e [H3O+] durante la
titolazione utilizziamo le relazioni che legano le concentrazioni delle specie in
soluzione: bilancio di carica, bilanci di massa e costante di equilibrio.
All’equilibrio le specie presenti in soluzione, dopo ogni aggiunta di titolante sono:
K W  [H 3O  ][OH  ]
[OH  ]  [Cl  ]  [H 3O  ]  [Na  ]

[Cl ]  C

0
HCl
[Na ]  C
Vt0
0
VNaOH
 Vt
0
NaOH
0
VNaOH
0
VNaOH
 Vt
Sostituendo nel bilancio di carica [OH−] con KW/[H3O+] e esplicitando rispetto alla
concentrazione di [H3O+]:
11
Sostituendo nel bilancio di carica [OH−] con KW/[H3O+] e esplicitando rispetto alla
concentrazione di [H3O+]:
KW
 [Cl  ]  [H 3O  ]  [Na  ]

[H 3O ]
[H 3O  ] 

 [Cl
1



[Cl
]
[Na
]
2 


2
]  [Na  ]  4K w 

In un foglio elettronico si possono impostare queste equazioni e calcolare le
concentrazioni di [H3O+], [Na+], [Cl−] in funzione di Vt.
12
Vt
(ml)
[Na+]
(mol l-1)
[Cl−]
(mol l-1)
[H3O+]
(mol l-1)
pH
0
0.100
0.000
3.00×10-13
13.00
10
0.091
0.009
1.22×10-13
12.91
30
0.077
0.023
1.86×10-13
12.73
60
0.062
0.037
4.00×10-13
12.40
90
0.053
0.047
1.90×10-12
11.72
99
0.0503
0.0497
1.99×10-11
10.70
100
0.0500
0.0500
1.00×10-7
7.00
101
0.0497
0.0503
4.98×10-4
3.30
110
0.0476
0.0524
4.76×10-3
2.32
130
0.0435
0.0565
1.30×10-2
1.88
150
0.0400
0.0600
2.00×10-2
1.70
200
0.0333
0.0667
3.33×10-2
1.48
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Se si utilizza il pH per osservare il punto equivalente in funzione di Vt in una
titolazione di un acido forte con una base forte, si nota che:
Il punto equivalente cade sempre a pH=7.
Il punto equivalente corrisponde al punto con massima pendenza nel grafico
Se si titola la base con l’acido, la curva è opposta: parte da pH basico,
arriva a pH acido, ma per il resto conserva le stesse caratteristiche
grafiche.
pH
Titolazione di
100 mL di NaOH
0.1 M
con HCl 0.1 M
Vt
14