Concentraciones de ácido y base

Un ácido Arrhenius es una sustancia que produce iones de hidrógeno cuando se disuelve en agua, mientras que una base produce iones de hidróxido. Los iones de hidrógeno reaccionan inmediatamente con el agua para formar iones de hidronio, pero para simplificar, seguiremos pensando en ellos como iones de hidrógeno. Dependiendo de la cantidad de iones de hidrógeno o iones de hidróxido en la solución, se considera ácido o básico.

Medimos la cantidad de acidez o basicidad utilizando el pH, que se calcula como el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno. Por lo tanto, los valores de pH inferiores a 7 son ácidos y los valores de pH superiores a 7 son básicos. pH 7 es neutro.

Los ácidos y las bases también se comparan en función de su fuerza, que es diferente de su pH. La fuerza de un ácido está relacionada con la facilidad con la que el ion de hidrógeno se disocia del anión, llamado base conjugada. La misma idea se sigue para una base en referencia al ion hidróxido y su ácido conjugado. Podemos asignar un valor a esa fuerza usando la constante de disociación ácida, o K_a.

K_a se define utilizando las concentraciones del ácido no disociado y los iones de hidrógeno disociados y la base conjugada. A menudo se puede ver esta relación representada como pK_a, que es simplemente el logaritmo negativo de K_a. Cuanto más pequeño es el pK_a, más fuerte es el ácido.

Algunos ácidos, como el ácido clorhídrico, son monopróticos, lo que significa que solo pueden disociar un ion de hidrógeno. Los ácidos polipróticos, al igual que el ácido fosfórico, pueden disociar varios iones de hidrógeno. Cada disociación tiene su propio pK_a.

Entonces, ¿cómo podemos determinar pK_a? Una forma es realizar una valoración ácido-base. La valoración se realiza añadiendo lentamente una solución de concentración conocida a una solución de concentración desconocida mientras se observa la reacción entre ellas. En este caso, el ácido reacciona con la base en una reacción de neutralización para formar una sal y agua.

Por lo tanto, si queremos medir la concentración de iones de hidrógeno en un ácido, simplemente podemos valorar con una base fuerte con una concentración de iones de hidróxido conocida hasta que el ácido se neutralice. Para realizar una valoración con precisión, la base debe estar estandarizada, lo que significa que conoce la concentración exacta de iones de hidróxido. Esto no siempre es sencillo.

Por ejemplo, el NaOH, que usarás en tu experimento, es muy higroscópico, lo que significa que absorbe agua de la atmósfera. Esto le sucede al NaOH tanto en forma sólida como en solución. Por lo tanto, la concentración real de una solución de NaOH puede ser más baja de lo que cabría esperar.

Para determinar la concentración exacta de NaOH, primero debemos realizar una valoración ácido-base. Para hacer esto, debe usar la base para valorar un ácido con una concentración conocida. El ftalato de hidrógeno de potasio, KHP, es un ácido no higroscópico, por lo que podemos calcular con precisión su concentración a partir de su masa.

Podemos ver cuándo se completa la valoración, lo que significa que el ácido se neutraliza, mediante el uso de un indicador de pH como la fenolftaleína. La fenolftaleína es neutra e incolora entre aproximadamente pH 0 y pH 8.

A medida que aumenta el pH, dos iones de hidrógeno se disocian. Esta forma aniónica es de color rosa. Entonces, cuando comenzamos la valoración, la solución de KHP es ácida y la fenolftaleína es incolora. A medida que añadimos NaOH y los iones de hidrógeno se neutralizan, el pH aumenta.

En esta reacción, la solución es neutra cuando se han mezclado cantidades iguales de ácido y base. Después de eso, la adición de un poco más de NaOH hace que el pH sea básico y la solución se vuelva rosada. Esto se conoce como punto de conexión. Si conocemos los moles de KHP y el volumen de NaOH utilizado para neutralizarlo, podemos calcular la concentración exacta de la base.

Una vez que tenemos una base estandarizada, podemos determinar el pK_a de un ácido valorando una concentración conocida del ácido con nuestra base estandarizada mientras monitoreamos el pH. El gráfico del pH frente al volumen de base añadida se denomina curva de valoración. La curva suele seguir una forma S o sigmoidal, donde el punto de inflexión de la parte más empinada de la curva denota un punto de equivalencia.

Aquí, los moles de iones de hidróxido e iones de hidrógeno disociados son iguales. Al igual que pK_a, veremos un punto de equivalencia para cada ion de hidrógeno disociado. Por lo tanto, un ácido monoprótico tiene solo un punto de equivalencia y un ácido triprótico tiene tres.

Cuando realicemos la valoración, sabremos que hemos pasado el punto de equivalencia cuando el indicador de pH apenas pasa de incoloro a rosa. Esto se denomina punto de conexión de valoración. Al igual que cuando estandarizamos la base, esto es cuando la solución tiene un pequeño exceso de iones de hidróxido y, por lo tanto, es ligeramente básica.

Otro punto de inflexión en el gráfico se produce a mitad de camino del punto de equivalencia. Aquí, las concentraciones de los ácidos disociados y no disociados son iguales. Por lo tanto, el pH en este punto es igual al pK_a. Por lo tanto, si realizamos una valoración y determinamos el volumen del punto de equivalencia, entonces podemos calcular pK_a como el pH a la mitad de este volumen.

En este laboratorio, primero estandarizará la base y, a continuación, realizará una valoración con esa base estandarizada para determinar dos pK_a de un ácido poliprótico.