Titulaciones de ácido fuerte-base fuerte

El ácido clorhídrico es un  ejemplo de un ácido fuerte,   y el hidróxido de sodio es un  ejemplo de una base fuerte.  Digamos que estamos valorando una concentración  desconocida de ácido clorhídrico con una   concentración conocida de hidróxido de  sodio, digamos que es igual a 0.20 molar. Como conocemos la concentración del  hidróxido de sodio, lo llamamos valorante.  Y debido a que no conocemos la concentración  de ácido clorhídrico, lo llamamos analito. Y cuando nuestro ácido fuerte, el ácido  clorhídrico, reacciona con nuestra base fuerte,   el hidróxido de sodio, los productos son una  solución acuosa de cloruro de sodio y agua. Para repasar cómo escribir el total o la  ecuación iónica completa para una reacción   ácido fuerte-base fuerte, recordemos que el  hidróxido de sodio, que es una base fuerte,   se disocia completamente en solución acuosa  para formar cationes sodio y aniones hidróxido. El ácido clorhídrico es un  ácido fuerte y, por eso,   se ioniza completamente en solución acuosa  para formar iones H+ y aniones cloruro. El cloruro de sodio es una sal soluble,   así que en solución acuosa tendremos  cationes sodio y aniones cloruro. Y por supuesto, también tendríamos agua. Al escribir la ecuación iónica neta,  tachamos estos iones espectadores.  Dado que tenemos cationes sodio  a la izquierda y a la derecha,   podemos tacharlos y también podemos tachar los  aniones cloruro, ambos son los iones espectadores. Lo que nos queda es la ecuación iónica neta.  De modo que una forma de escribir la  ecuación iónica neta para una reacción   ácido fuerte - base fuerte es: aniones  hidróxido más cationes H+ forman agua. Y nuestro objetivo para la valoración  o titulación ácido fuerte-base fuerte   es determinar la concentración de ácido  clorhídrico utilizando una curva de titulación. Digamos que hacemos nuestra valoración  o titulación y obtenemos esta curva. Para las curvas de titulación, el pH va  en el eje Y y el titulante va en el eje X.  En este caso, estamos agregando la base  a nuestra solución de ácido clorhídrico. Antes de usar nuestra curva de titulación para  encontrar la concentración de ácido clorhídrico,   vamos a analizar la curva de titulación  y algunos diagramas de partículas.  Cuando trabajamos con diagramas de partículas,  debemos tener en cuenta que solo son una ayuda   para entender lo que está pasando en la solución  real, por lo que son solo una representación,   y también dejaremos de lado las moléculas  de agua, para simplificar la explicación. Analicemos este punto de nuestra curva de  titulación: aquí tenemos cero mililitros de   base agregada, lo que significa que estamos  comenzando solo con ácido clorhídrico.  Así que hay dos partículas H+ y  dos partículas de anión cloruro. A continuación, agregamos un poco de  hidróxido de sodio. El catión sodio   es esta esfera morada que tenemos aquí,  y el anión hidróxido también está aquí.  Así que agregamos un poco de hidróxido de sodio a  nuestra solución de ácido clorhídrico y el anión   hidróxido se neutraliza con uno de los iones H+. De modo que el OH- y el H+ reaccionan para   formar H2O. Y como estamos   dejando el H2O fuera de nuestros diagramas de  partículas, no lo vemos en este segundo diagrama. Lo que sí vemos en este segundo diagrama de   partículas son los aniones cloruro que  estaban presentes al inicio, aquí están,   el otro ion H+ que estaba presente  al inicio y el catión sodio agregado. Y como todavía queda un catión H+ en la solución,   no hemos neutralizado todo  el ácido había al principio. A continuación, agregamos un poco más de  hidróxido de sodio, aquí estamos agregando   un catión sodio, y también vamos a agregar  este anión hidróxido a nuestra solución. El anión hidróxido agregado se neutralizará con  el ion H+ que ya está presente y formarán agua.  Y como estamos dejando el agua fuera  de los diagramas de partículas,   no la vemos en este tercer diagrama. Lo que sí vemos en nuestro tercer  diagrama de partículas son los   dos aniones cloruro que siempre  han estado en la titulación. Ya   teníamos un catión sodio presente y  luego agregamos un catión sodio más. Así que este tercer diagrama  de partículas representa el   punto de equivalencia de nuestra titulación. Todo el ácido que teníamos al principio ha sido   neutralizado por la base agregada y nos quedamos  con una solución acuosa de cloruro de sodio.  Entonces solo hay cationes sodio  y aniones cloruro en solución. A 25 grados centígrados, el  pH del agua es igual a siete.  Y como ni el catión sodio ni el anión cloruro  reaccionarán con el agua para cambiar el pH,   el pH en el punto de equivalencia de una  titulación ácido fuerte-base fuerte es siete. Podemos determinar el punto de  equivalencia en nuestra curva   de titulación usando un pH de alrededor de 7. Y si trazamos una pequeña línea punteada,  dondequiera que esa línea punteada toque a   nuestra curva de titulación, allí  estará el punto de equivalencia. Así que en el primer diagrama de partículas no se   había agregado ninguna base. Se trata de  este punto en nuestra curva de titulación. El tercer diagrama de partículas  representa el punto de equivalencia,   así que es este punto en  nuestra curva de titulación. Y en el segundo diagrama de partículas  no se había neutralizado todo el ácido   que estaba presente, así que está entre  esos dos puntos de la curva de titulación. Observemos también lo empinada  que está la gráfica alrededor   del punto de equivalencia de esta titulación. Eso significa que agregar cantidades muy pequeñas   de base alrededor del punto de equivalencia  provoca grandes cambios en el pH de la solución. Volvamos a nuestro diagrama de  partículas en el punto de equivalencia,   y agreguemos un poco más de hidróxido de sodio. Agreguemos un catión sodio  más y un anión hidróxido más.  Esta vez, dado que no hay más ácido para  neutralizar el anión hidróxido agregado,   en nuestro cuarto diagrama de partículas,  tenemos el anión hidróxido y uno de estos  cationes sodio es el que acabamos de agregar. Y todavía tenemos los aniones cloruro  y los cationes sodio que estaban   presentes en el punto de equivalencia. Así que este cuarto diagrama de partículas   representa la titulación después del punto de  equivalencia, cuando agregamos exceso de base. En nuestra nuestra curva de titulación  podemos ver que el pH sigue aumentando,   a medida que agregamos exceso de base. Ahora que hemos analizado los diagramas de   partículas para nuestra valoración o  titulación ácido fuerte-base fuerte,   volvamos al problema original que era determinar  la concentración inicial de ácido clorhídrico. Y podemos hacerlo averiguando  cuántos mililitros de base se   agregaron para llegar al punto de equivalencia.  Entonces, si descendemos aquí  en nuestra curva de titulación,   podemos ver que después de agregar 50 mililitros  de base se ha alcanzado el punto de equivalencia. Por lo tanto, se requirieron 50 mililitros  de solución 0.20 molar de hidróxido de sodio   para neutralizar completamente el ácido  clorhídrico que había originalmente. Y si conocemos el volumen inicial de la solución  de ácido clorhídrico, digamos que eran 100   mililitros, podemos calcular la concentración  utilizando la ecuación MV es igual a MV. Para nuestra ecuación, digamos que  el ácido está en el lado izquierdo.  Como no sabemos la concentración,  las molaridades, escribimos x.  Y para el volumen del ácido, sustituimos  100 mililitros en nuestra ecuación. Para el lado derecho, que será la base, sabemos  que la molaridad de la base es igual a 0.20 molar.  Y también sabemos que el volumen de la base que se   necesita para llegar al punto de  equivalencia es de 50 mililitros. Despejamos x y vemos que x es igual a 0.10 molar;   por ende, esa es la concentración inicial  de nuestra solución de ácido clorhídrico. Recuerda que, en nuestra curva de titulación,  empezamos solo con ácido clorhídrico,   y si estamos valorando un ácido fuerte  con una base fuerte empezamos con un pH   muy bajo. A medida que agregamos más y  más de la base fuerte, el pH aumenta. Acabamos de ver la curva de titulación  de un ácido fuerte con una base fuerte.  Comparemos esa curva de titulación con esta,   que es la titulación de una  base fuerte con un ácido fuerte. Dado que estamos comenzando con una base fuerte,  observa que el pH inicial es muy alto y como   estamos agregando un ácido, aquí abajo en el  eje x ahora dice mililitros de ácido agregado. A medida que se agrega ácido, podemos  ver que el pH disminuye lentamente.  Y a medida que nos acercamos  al punto de equivalencia,   vemos una gran caída en el pH  con pequeños agregados de ácido. Sin embargo, el pH en el punto de  equivalencia sigue siendo igual a 7.  De modo que si vamos a un pH de 7 en el eje  Y y lo pasamos a nuestra curva de titulación,   este punto representa el punto de equivalencia. Y podemos bajar al eje x y ver  que se requirieron 20 mililitros   de ácido para neutralizar la  base que había inicialmente. Por último, una vez superado el punto  de equivalencia, podemos ver que,   al agregar más y más ácido, el pH sigue bajando. Así que esta curva de titulación  de una base fuerte con un ácido   fuerte es esencialmente el inverso de la  primera curva de titulación que vimos,   que era la valoración o titulación de  un ácido fuerte con una base fuerte.