Document 1276864

Laboratorio de Química Física 1 Grado en Química PRÁCTICA 2
Determinación espectrofotométrica del pK de un indicador
Material
2 matraces aforados de 250 mL
2 matraces aforados de 25 mL
3 matraces erlenmeyer de 250 mL
2 vasos de precipitados de 100 mL
1 pipeta graduada de 25 mL
1 pipeta aforada de 10 mL
1 pipeta graduada de 10 mL
1 pipeta graduada de 2 mL
1 bureta de 50 mL
1 espectrofotómetro
1 varilla de vidrio/ 1 pesasustancias/ 1 cuentagotas/ 1 embudo
2 cubetas de espectrofotómetro
1 propipeta/1 frasco lavador
Productos
Hidróxido de sodio
Disolución de hidróxido de sodio 2M
Disolución de naranja de metilo al 0.002%
Acido clorhídrico
Acido fórmico
Indicador fenolftaleína
Objetivos
1.
Obtener el espectro de absorción del naranja de metilo a diferentes pHs.
2.
Localizar el punto isosbéstico.
3.
Manejar el espectrofotómetro para medir absorbancias y relacionarlas con la concentración.
4.
Preparar disoluciones tampón a partir de ácido fórmico y NaOH y determinar su pH.
5.
Determinar el pKa del naranja de metilo a partir de medidas de absorbancia.
Fundamentos teóricos
En general se puede considerar que los indicadores ácido-base son compuestos (ácido o bases
débiles) que en disolución presentan una forma ácida (protonada) de distinto color que su forma básica
(desprotonada). El cambio de estructura, que implica el cambio de color, tiene lugar en un intervalo de pH
pequeño (1–2 unidades de pH alrededor del pK del indicador), llamado “pH de viraje”. En dicho intervalo se
encuentran presentes simultáneamente las dos formas del indicador, la ácida y la básica.
El equilibrio de ionización de un indicador se puede representar mediante la ecuación:
HIn + H2O
K
HIn "
!###
In$ + H3O+
(1)
en la que HIn representa la molécula de indicador en su forma ácida e In- la molécula de indicador en su
forma básica. La constante de ionización aparente (en función de concentración) vendrá expresada por:
K HIn =
[H3O+ ][In! ]
[HIn]
(2)
Se supone que las disoluciones son los suficientemente diluidas como para que todos los coeficientes de
actividad implicados sean muy proximos a la unidad. En estas condiciones es aplicable la ecuación de
Henderson-Hasselbalch (tomar logaritmos en ecuación 2):
[In! ]
[HIn]
pH = pK HIn + log
(3)
por lo que disponiendo del valor de la relación [In-]/[HIn] para un pH determinado, se podrá conocer el
valor del pK del indicador.
En el caso que nos ocupa, determinación del pK del naranja de metilo, el método seguido para el
cálculo del cociente de concentraciones consiste en el registro del espectro electrónico de absorción de una
serie de disoluciones:
a) Una disolución que contenga, exclusivamente, el indicador en su forma ácida HIn (roja), para lo cual
es necesario que el pH de la disolución sea muy bajo, pH ≈1.
b) Una disolución que contenga, exclusivamente, el indicador en su forma básica In- (amarilla). Para
garantizarlo se preparará una disolución en un medio fuertemente básico, pH ≈13.
c) Disoluciones que contengan al indicador en ambas formas simultáneamente, lo que se consigue con
disoluciones amortiguadoras o tampón cuyos pH estén en el intervalo en el que se produce el cambio de
color del indicador naranja de metilo: 3.2 – 4.4.
Un ejemplo del registro de los espectros de estas disoluciones se muestra en la figura.
El cociente de concentraciones se relaciona con la absorbancia del naranja de metilo aplicando la ley de
Beer a cada una de las disoluciones y a la misma longitud de onda, λ:
pH = 1
AHIn = !HIn l c0
(4)
pH = 13
A
(5)
pH = 3.8
A = !HIn l [HIn]+ !
In!
="
In!
l c0
In"
l [In" ]
(6)
donde AHIn y A In– representan las absorbancias de disoluciones en las que sólo está presente la forma ácida
o básica del indicador, respectivamente. “A” es la absorbancia de la disolución en la que coexisten ambas
Lab. QF1 Versión-­‐15 2 formas del indicador (en nuestro caso, la disolución tampón). εHIn y εIn- representan los coeficientes de
absorción molar de las formas ácida y básica del indicador, respectivamente; y l es el camino óptico (ancho
de la cubeta). Además, en las disoluciones tampón se cumple que: c0 = [In-] + [HIn].
Finalmente, a partir de las expresiones (4) a (6) se puede deducir que:
" A ! A%
pH = pKHIn + log $ HIn
'
$# A ! A ! '&
In
(7)
Disoluciones
1. 250 mL de disolución de ácido fórmico 0.1 M, a partir del comercial (en vitrina).
2. 250 mL de disolución de NaOH 0.1 M, a partir del sólido.
Procedimiento experimental
1) Conectar el espectrofotómetro nada más comenzar la sesión de prácticas o al menos 15 minutos antes de
medir.
2) Preparar las disoluciones de ácido fórmico y de hidróxido de sodio.
3) Valorar 25 mL de la disolución 0.1 M de ácido fórmico con NaOH 0.1 M, usando fenolftaleina como
indicador. Repetir al menos tres veces la valoración.
4) Tras preparar cada muestra como se describe más abajo, registrar los espectros de absorción de las
disoluciones. ¿Cómo? para cada longitud de onda ajustar con el blanco el espectrofotómetro al 0 de
absorbancia (CAL), cambiar la cubeta y medir la absorbancia de la disolución problema cada 20 nm en el
rango de longitudes de onda 390 a 490 nm, y a intervalos de 10 nm entre 490 y 560 nm.
Notas y precauciones: la célula del espectrofotómetro debe estar limpia; no se deben tocar las
paredes con los dedos y no se debe llenar hasta el borde sin a unos ¾ de su capacidad.
Los espectros de 5 disoluciones diferentes, se registran en el siguiente orden:
4.1. Espectro de absorción de la forma ácida del indicador
Preparar:
a) Blanco: pipetear 10 mL de agua, añadir 4 gotas de HCl concentrado y aforar a 25 mL con agua. Con esta
disolución lavar y llenar una cubeta del espectrofotómetro.
b) Disolución problema de naranja de metilo: pipetear 10 mL de disolución 0.002 % de naranja de metilo,
añadir 4 gotas de HCl concentrado y aforar a 25 mL con agua. Con esta disolución lavar y llenar otra
cubeta del espectrofotómetro.
Lab. QF1 Versión-­‐15 3 4.2. Espectro de absorción de la forma básica del indicador
Preparar:
a) Blanco: pipetear 10 mL de agua, añadir 24 gotas de NaOH 2 M y aforar a 25 mL con agua. Con esta
disolución lavar y llenar una cubeta del espectrofotómetro.
b) Disolución problema de naranja de metilo: pipetear 10 mL de disolución 0.002 % de naranja de metilo,
añadir 24 gotas de NaOH 2 M y aforar a 25 mL con agua. Con esta disolución lavar y llenar otra cubeta
del espectrofotómetro.
4.3. Espectros de absorción de disoluciones con ambas formas del indicador
Para ello hay que preparar previamente 3 disoluciones tampón de diferente pH que serán el disolvente del
indicador.
4.3.1. Disolución tampón 1 (pH=3.58)
Preparación de la disolución tampón: colocar en un erlenmeyer 25 mL de disolución 0.1 M de ácido fórmico y
añadir el 40% del volumen de NaOH 0.1 M utilizado en el punto de equivalencia de la valoración del ácido
formico. El pH resultante será de 3.58. (Nota: hay que calcularlo posteriormente a partir del pKa de ácido
fórmico). Una vez preparado el tampón 1, hay que preparar:
a) Blanco: pipetear 10 mL de agua y enrasar a 25 mL con la disolución amortiguadora 1. Con esta
disolución lavar y llenar una cubeta del espectrofotómetro..
b) Disolución problema de indicador: pipetear 10 mL de naranja de metilo 0.002% y enrasar a 25 mL con
la disolución amortiguadora 1. Con esta disolución lavar y llenar otra cubeta del espectrofotómetro..
4.3.2. Disolución tampón 2 (pH=3.75)
Preparación de la disolución tampón: colocar en un erlenmeyer 25 mL de disolución 0.1 M de ácido fórmico y
añadir el 50% del volumen de NaOH 0.1 M utilizado en el punto de equivalencia de la valoración del ácido
formico. El pH resultante será de 3.75. (Nota: hay que calcularlo posteriormente a partir del pKa de ácido
fórmico). Una vez preparado el tampón 2, hay que preparar:
a) Blanco: pipetear 10 mL de agua y enrasar a 25 mL con la disolución amortiguadora 2. Con esta
disolución lavar y llenar una cubeta del espectrofotómetro.
b) Disolución problema de indicador: pipetear 10 mL de naranja de metilo 0.002% y enrasar a 25 mL con
la disolución amortiguadora 2. Con esta disolución lavar y llenar otra cubeta del espectrofotómetro.
4.3.3. Disolución tampón 3 (pH=3.93)
Preparación de la disolución tampón: colocar en un erlenmeyer 25 mL de disolución 0.1 M de ácido fórmico y
añadir el 60% del volumen de NaOH 0.1 M utilizado en el punto de equivalencia de la valoración del ácido
formico. El pH resultante será de 3.93. (Nota: hay que calcularlo posteriormente a partir del pKa de ácido
fórmico). Una vez preparado el tampón 3, hay que preparar:
Lab. QF1 Versión-­‐15 4 a) Blanco: pipetear 10 mL de agua y enrasar a 25 mL con la disolución amortiguadora 3. Con esta
disolución lavar y llenar una cubeta del espectrofotómetro.
b) Disolución problema de indicador: pipetear 10 mL de naranja de metilo 0.002% y enrasar a 25 mL con
la disolución amortiguadora 3. Con esta disolución lavar y llenar otra cubeta del espectrofotómetro.
Nota: Recordad que existen recipientes para desechar los residuos al finalizar la experiencia.
Resultados experimentales: presentación de los datos
1.
Tabular los datos (masas o volúmenes) necesarios para la preparación de las disoluciones 1 y 2 tanto
calculados como reales.
2.
Recoger en otra Tabla el resultado de la valoración del fórmico con la sosa (volúmenes de sosa
gastados) y calcular su valor medio con su error aleatorio, así como el 40, 50 y 60 % del mismo.
3.
Hacer tablas que recojan de forma esquemática los volúmenes a tomar para preparar los tampones así
como las 5 disoluciones problema y sus 5 blancos.
4.
Presentar en otra Tabla, las absorbancias medidas a cada longitud de onda para las 5 disoluciones
problema del indicador.
Tratamiento y Discusión de Resultados
1.
Dibujar todos los espectros registrados en la misma gráfica.
2.
Indicar la longitud de onda del punto isosbéstico y demostrar que en dicho punto los coeficientes de
absorcion molar de las formas ácidas y básicas del indicador tienen el mismo valor.
3.
Determinar el pK del indicador a diferentes valores de longitud de onda. Para cada λ utilizar las
absorbancias de las tres disoluciones tampón, es decir obtener tres valores de pK para cada longitud de
onda, y hacer la media. Sugerencia, comparar los valores obtenidos a λ próximos al máximo de
absorbancia de la disolución ácida con valores de pKs obtenidos en otras zonas del espectro, por
ejemplo en las proximidades del punto isosbestico. Comentar los resultados.
4.
Calcular los pHs de las disoluciones amortiguadoras (1, 2 y 3) y comprobar que coinciden con los
indicados en el texto. Para ello, buscar el valor bibliográfico del pKa del ácido fórmico a 25 ºC.
5.
¿Qué condiciones se han de cumplir para que sea aplicable la ecuación (3)? Indicar las aproximaciones
realizadas en su deducción.
6.
Demostrar la ecuación (7).
Lab. QF1 Versión-­‐15 5