Fundamentos de Titulación Ácido-Base: Conceptos Esenciales y Aplicaciones en Química Analítica

Fundamentos de Titulación Ácido-Base

Ácidos Polifuncionales en Titulación

Los compuestos con dos o más grupos funcionales ácidos pueden presentar dos o más puntos de equivalencia en una titulación, siempre que difieran suficientemente en su fuerza ácida. Estos puntos son distinguibles si la relación Ka1 / Ka2 es superior a 10³.

Clasificación de Ácidos y Bases

Según su grado de disociación en disolución acuosa, los ácidos y bases se clasifican en:

• Fuertes: Se disocian completamente en disolución acuosa, generando iones H⁺ (ácidos) o OH^- (bases) respectivamente.
• Débiles: Se disocian parcialmente en disolución acuosa, y su equilibrio de disociación está regido por una constante de equilibrio (K).

Valores Alfa: Fracciones de Especies en Equilibrio

Los valores alfa (α) representan las fracciones relativas en equilibrio de los componentes de un par ácido-base conjugado, en función del pH de la disolución. La concentración total (CT) de las especies de un par ácido-base se define como CT = [HA] + [A^-].

• Alfa 0 (α0): Es la fracción de la concentración total que corresponde a la forma no disociada del ácido. α0 = [HA]/CT.
• Alfa 1 (α1): Es la fracción de la concentración total que corresponde a la forma disociada (base conjugada). α1 = [A^-]/CT.

Los valores de alfa dependen de la concentración de H₃O⁺ (o pH) y de la constante de acidez (Ka). En una gráfica de los valores alfa en función del pH, el punto donde las curvas de α0 y α1 se cruzan (α0 = α1 = 0.5) ocurre cuando el pH es igual al pKa del ácido (pH = pKa). Para el ácido acético (HAcO), esto sucede aproximadamente a pH = 4.74.

Capacidad Amortiguadora: Definición y Factores Clave

La capacidad amortiguadora (β) se define como el número de moles de ácido o base fuerte que puede ser absorbido por un litro de disolución amortiguadora sin que el pH cambie en más de una unidad. Siempre es un valor positivo y depende de la concentración total de los dos componentes de la disolución amortiguadora, así como de la relación entre sus concentraciones.

Su capacidad máxima se alcanza cuando las concentraciones del ácido y su base conjugada son iguales (es decir, cuando α0 = α1 = 0.5).

Para seleccionar una solución amortiguadora adecuada, el pKa del ácido debe estar en un rango de ±1 unidad del pH deseado. Una solución amortiguadora puede prepararse creando una disolución con un pH aproximado al valor deseado y luego ajustando el pH final mediante la adición de una base fuerte o un ácido fuerte, según sea necesario.

Preparación de Soluciones Valoradas y Sustancias Patrón

Las soluciones valoradas (o estandarizadas) pueden prepararse por método directo o indirecto, utilizando sustancias patrón primarias (SPP) o secundarias (SPS).

Sustancias Patrón Comunes:

• Para Alcalimetría (estandarización de ácidos):
  • Biftalato de potasio: Sal no higroscópica.
  • Ácido oxálico: Utiliza indicadores como fenolftaleína y azul de timol.
  • Ácido benzoico: Soluble en alcohol.
  • Yodato ácido de potasio: Compatible con cualquier indicador de pH.
• Para Acidimetría (estandarización de bases):
  • Carbonato de sodio anhidro: Utilizado para valoración de bases débiles, especialmente en el segundo punto de equivalencia.
  • Bórax: Sal de ácido débil que reacciona con ácido fuerte.
  • Oxalato de sodio
  • Bicarbonato de potasio
  • Yodato de potasio
  • TRIS (Tris(hidroximetil)aminometano)

Normalización por Dilución y Aplicaciones de la Titulación

La solución valorada con concentración aproximada, preparada por un método indirecto, se ajusta a su concentración exacta mediante dilución.

Etapas de la Normalización por Dilución:

1. Primera titulación (para determinar la concentración aproximada).
2. Cálculo del volumen de H₂O necesario para la dilución.
3. Corrección (dilución).
4. Retitulación (para verificar la concentración exacta).

Métodos de Normalización:

• Contra una Sustancia Patrón Primaria (SPP) en solución: Medir un volumen exacto de la solución a normalizar con una pipeta volumétrica, transferirlo a un Erlenmeyer y realizar la titulación.
• Contra una Sustancia Patrón Primaria (SPP) sólida: Pesar la sustancia patrón en una balanza analítica, transferirla cuantitativamente a un Erlenmeyer, disolverla en agua y proceder con la titulación.

Aplicaciones de la Titulación:

• Determinación de la concentración de una amplia variedad de especies inorgánicas, orgánicas y biológicas con propiedades ácidas o básicas.
• Determinación de la concentración de analitos específicos.
• Uso de H₂O como solvente principal; para sustancias insolubles, se emplean solventes orgánicos como metanol o etanol.
• El pH se monitorea con indicadores visuales o pH-metros.

Método Kjeldahl para la Determinación de Nitrógeno

En este método, la muestra se descompone con H₂SO₄ concentrado y calor para convertir el nitrógeno (N) en iones amonio (NH₄⁺). La solución resultante se enfría, se diluye y se alcaliniza. El amoníaco (NH₃) liberado se destila, se recoge en una solución ácida y se cuantifica mediante titulación.