Valoración
Método de laboratorio para determinar la concentración de un analito.
Una bureta y un matraz Erlenmeyer (matraz cónico) que se utilizan para una titulación ácido-base .

La titulación (también conocida como titulación [1] y análisis volumétrico ) es un método común de laboratorio de análisis químico cuantitativo para determinar la concentración de un analito identificado (una sustancia a analizar). Se prepara un reactivo , denominado titulador o valorador [2] como una solución estándar de concentración y volumen conocidos . El titulador reacciona con una solución de analito (que también puede denominarse titulador [3] ) para determinar la concentración del analito. El volumen de titulador que reaccionó con el analito se denomina volumen de titulación .

Historia y etimología

La palabra «titulación» proviene del francés titrer (1543), que significa la proporción de oro o plata en monedas o en obras de oro o plata; es decir, una medida de finura o pureza. Tiltre se convirtió en titre , [4] que así pasó a significar la «finura del oro aleado», [5] y luego la «concentración de una sustancia en una muestra dada». [6] En 1828, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac utilizó por primera vez titre como verbo ( titrer ), que significa «determinar la concentración de una sustancia en una muestra dada». [7]

El análisis volumétrico se originó a finales del siglo XVIII en Francia. El químico francés François-Antoine-Henri Descroizilles (fr) desarrolló la primera bureta (que era similar a un cilindro graduado) en 1791. [8] [9] [10] Gay-Lussac desarrolló una versión mejorada de la bureta que incluía un brazo lateral e inventó los términos " pipeta " y " bureta " en un artículo de 1824 sobre la estandarización de soluciones de índigo. [11] La primera bureta verdadera fue inventada en 1845 por el químico francés Étienne Ossian Henry (1798-1873). [12] [13] [14] [15] Una mejora importante del método y la popularización del análisis volumétrico se debió a Karl Friedrich Mohr , quien rediseñó la bureta en una forma simple y conveniente, y quien escribió el primer libro de texto sobre el tema, Lehrbuch der chemisch-analytischen Titrirmethode ( Libro de texto de métodos de titulación de química analítica ), publicado en 1855. [16] [17]

Procedimiento

Análisis de muestras de suelo por titulación.

Una titulación típica comienza con un vaso de precipitados o un matraz Erlenmeyer que contiene una cantidad muy precisa del analito y una pequeña cantidad de indicador (como fenolftaleína ) colocado debajo de una bureta calibrada o una jeringa de pipeteo químico que contiene el titulante. [18] Luego, se agregan pequeños volúmenes del titulante al analito y al indicador hasta que el indicador cambia de color en reacción al umbral de saturación del titulante, lo que representa la llegada al punto final de la titulación, lo que significa que la cantidad de titulante equilibra la cantidad de analito presente, de acuerdo con la reacción entre los dos. Dependiendo del punto final deseado, una sola gota o menos de una gota del titulante pueden marcar la diferencia entre un cambio permanente y temporal en el indicador.

Técnicas de preparación

Las titulaciones típicas requieren que el titulante y el analito estén en forma líquida (solución). Aunque los sólidos suelen disolverse en una solución acuosa, se utilizan otros disolventes como el ácido acético glacial o el etanol para fines especiales (como en la petroquímica , que se especializa en el petróleo). [19] Los analitos concentrados suelen diluirse para mejorar la precisión.

Muchas titulaciones no ácido-base requieren un pH constante durante la reacción. Por lo tanto, se puede agregar una solución tampón a la cámara de titulación para mantener el pH. [20]

En los casos en que dos reactivos en una muestra pueden reaccionar con el titulante y solo uno es el analito deseado, se puede agregar una solución de enmascaramiento separada a la cámara de reacción que elimina el efecto del ion no deseado. [21]

Algunas reacciones de reducción-oxidación ( redox ) pueden requerir calentar la solución de muestra y titularla mientras la solución aún está caliente para aumentar la velocidad de reacción . Por ejemplo, la oxidación de algunas soluciones de oxalato requiere calentar a 60 °C (140 °F) para mantener una velocidad de reacción razonable. [22]

Curvas de titulación

Curva de titulación típica de un ácido diprótico titulado con una base fuerte. Aquí se muestra el ácido oxálico titulado con hidróxido de sodio . Ambos puntos de equivalencia son visibles.

Una curva de titulación es una curva en un gráfico cuya coordenada x representa el volumen de titulante añadido desde el comienzo de la titulación, y cuya coordenada y representa la concentración del analito en la etapa correspondiente de la titulación (en una titulación ácido-base, la coordenada y generalmente representa el pH de la solución). [23]

En una titulación ácido - base , la curva de titulación representa la fuerza del ácido y la base correspondientes. Para un ácido fuerte y una base fuerte, la curva será relativamente suave y muy pronunciada cerca del punto de equivalencia. Debido a esto, un pequeño cambio en el volumen del titulante cerca del punto de equivalencia da como resultado un gran cambio de pH y muchos indicadores serían apropiados (por ejemplo, tornasol , fenolftaleína o azul de bromotimol ).

Si un reactivo es un ácido o base débil y el otro es un ácido o base fuerte, la curva de titulación es irregular y el pH cambia menos con pequeñas adiciones de titulante cerca del punto de equivalencia . Por ejemplo, se muestra la curva de titulación para la titulación entre ácido oxálico (un ácido débil) e hidróxido de sodio (una base fuerte). El punto de equivalencia ocurre entre pH 8-10, lo que indica que la solución es básica en el punto de equivalencia y un indicador como la fenolftaleína sería apropiado. Las curvas de titulación correspondientes a bases débiles y ácidos fuertes se comportan de manera similar, siendo la solución ácida en el punto de equivalencia y siendo los indicadores como el naranja de metilo y el azul de bromotimol los más apropiados.

Las titulaciones entre un ácido débil y una base débil tienen curvas de titulación muy irregulares. Por ello, puede que no sea adecuado ningún indicador definido y, a menudo, se utiliza un medidor de pH para controlar la reacción. [24]

El tipo de función que se puede utilizar para describir la curva se denomina función sigmoidea .

Tipos de titulaciones

Existen muchos tipos de titulaciones con diferentes procedimientos y objetivos. Los tipos más comunes de titulación cualitativa son las titulaciones ácido-base y las titulaciones redox .

Titulación ácido-base

Naranja de metilo
IndicadorColor en el lado ácidoRango de cambio de color
(pH)		Color en el lado básico
Violeta de metiloAmarillo0,0—1,6Violeta
Azul de bromofenolAmarillo3.0—4.6Azul
Naranja de metiloRojo3.1—4.4Amarillo
Rojo de metiloRojo4.4—6.3Amarillo
TornasolRojo5.0—8.0Azul
Azul de bromotimolAmarillo6.0—7.6Azul
FenolftaleínaIncoloro8,3—10,0Rosa
Amarillo de alizarinaAmarillo10.1—12.0Rojo

Las titulaciones ácido-base dependen de la neutralización entre un ácido y una base cuando se mezclan en solución. Además de la muestra, se añade un indicador de pH adecuado a la cámara de titulación, que representa el rango de pH del punto de equivalencia. El indicador ácido-base indica el punto final de la titulación cambiando de color. El punto final y el punto de equivalencia no son exactamente iguales porque el punto de equivalencia está determinado por la estequiometría de la reacción, mientras que el punto final es solo el cambio de color del indicador. Por lo tanto, una selección cuidadosa del indicador reducirá el error del indicador. Por ejemplo, si el punto de equivalencia está a un pH de 8,4, se utilizaría el indicador de fenolftaleína en lugar de amarillo de alizarina porque la fenolftaleína reduciría el error del indicador. Los indicadores comunes, sus colores y el rango de pH en el que cambian de color se dan en la tabla anterior. [25] Cuando se requieren resultados más precisos, o cuando los reactivos son un ácido débil y una base débil, se utiliza un medidor de pH o un medidor de conductancia.

Para bases muy fuertes, como reactivos de organolitio , amidas metálicas e hidruros , el agua generalmente no es un solvente adecuado y los indicadores cuyo pKa se encuentra en el rango de cambios de pH acuoso son de poca utilidad. En cambio, el valorante y el indicador utilizados son ácidos mucho más débiles y se utilizan solventes anhidros como THF . [26] [27]

Fenolftaleína, un indicador comúnmente utilizado en la titulación de ácidos y bases.

El pH aproximado durante la titulación se puede aproximar mediante tres tipos de cálculos. Antes de comenzar la titulación, se calcula la concentración de en una solución acuosa de ácido débil antes de agregar cualquier base. Cuando el número de moles de bases agregadas es igual al número de moles de ácido inicial o el llamado punto de equivalencia , se calcula uno de hidrólisis y el pH se calcula de la misma manera que se calcularon las bases conjugadas del ácido titulado. Entre los puntos inicial y final, se obtiene a partir de la ecuación de Henderson-Hasselbalch y la mezcla de titulación se considera como tampón. En la ecuación de Henderson-Hasselbalch, se dice que [ácido] y [base] son ​​las molaridades que habrían estado presentes incluso con disociación o hidrólisis. En un tampón, se puede calcular exactamente, pero se deben tener en cuenta la disociación de HA , la hidrólisis de y la autoionización del agua. [28] Se deben utilizar cuatro ecuaciones independientes: [29] [ yo + ] {\displaystyle {\ce {[H+]}}} [ yo + ] {\displaystyle {\ce {[H+]}}} [ yo + ] {\displaystyle {\ce {[H+]}}} A − {\displaystyle {\ce {A-}}}

[ yo + ] [ OH − ] = 10 − 14 {\displaystyle [{\ce {H+}}][{\ce {OH-}}]=10^{-14}}
[ yo + ] = K a [ JA ] [ A − ] {\displaystyle [{\ce {H+}}]=K_{a}{\ce {{\frac {[HA]}{[A^{-}]}}}}}
[ JA ] + [ A − ] = ( norte A + norte B ) V {\displaystyle [{\ce {HA}}]+[{\ce {A-}}]={\frac {(n_{{\ce {A}}}+n_{{\ce {B}}} )}{V}}}
[ yo + ] + norte B V = [ A − ] + [ OH − ] {\displaystyle [{\ce {H+}}]+{\frac {n_{{\ce {B}}}}{V}}=[{\ce {A-}}]+[{\ce {OH -}}]}

En las ecuaciones, y son los moles de ácido ( HA ) y sal ( XA donde X es el catión), respectivamente, utilizados en el tampón, y el volumen de solución es V. La ley de acción de masas se aplica a la ionización del agua y la disociación del ácido para derivar la primera y la segunda ecuaciones. El balance de masas se utiliza en la tercera ecuación, donde la suma de y debe ser igual al número de moles de ácido y base disueltos, respectivamente. El balance de carga se utiliza en la cuarta ecuación, donde el lado izquierdo representa la carga total de los cationes y el lado derecho representa la carga total de los aniones: es la molaridad del catión (por ejemplo, sodio, si se utiliza sal de sodio del ácido o hidróxido de sodio para preparar el tampón). [30] norte A {\displaystyle n_{{\ce {A}}}} norte B {\displaystyle n_{{\ce {B}}}} V [ JA ] {\displaystyle V[{\ce {HA}}]} V [ A − ] {\displaystyle V[{\ce {A-}}]} norte B V {\displaystyle {\frac {n_{{\ce {B}}}}{V}}}

Titulación redox

Las valoraciones redox se basan en una reacción de reducción-oxidación entre un agente oxidante y un agente reductor. Normalmente se utiliza un potenciómetro o un indicador redox para determinar el punto final de la valoración, como cuando uno de los componentes es el agente oxidante dicromato de potasio . El cambio de color de la solución de naranja a verde no es definitivo, por lo que se utiliza un indicador como la difenilamina sódica. [31] El análisis de vinos para dióxido de azufre requiere yodo como agente oxidante. En este caso, se utiliza almidón como indicador; se forma un complejo de almidón-yodo azul en presencia de exceso de yodo, lo que indica el punto final. [32]

Algunas titulaciones redox no requieren un indicador, debido al color intenso de los componentes. Por ejemplo, en la permanganometría, un ligero color rosa persistente señala el punto final de la titulación debido al color del exceso de agente oxidante permanganato de potasio . [33] En la yodometría , a concentraciones suficientemente grandes, la desaparición del ion triyoduro de color marrón rojizo oscuro puede usarse como punto final, aunque a concentraciones más bajas la sensibilidad se mejora añadiendo un indicador de almidón , que forma un complejo intensamente azul con el triyoduro.

Color de la mezcla de titulación yodométrica antes (izquierda) y después (derecha) del punto final.

Titulación en fase gaseosa

Las titulaciones en fase gaseosa son titulaciones realizadas en la fase gaseosa , específicamente como métodos para determinar especies reactivas por reacción con un exceso de algún otro gas , que actúa como titulante. En una titulación en fase gaseosa común, el ozono gaseoso se titula con óxido de nitrógeno de acuerdo con la reacción

O 3 + NO → O 2 + NO 2 . [34] [35]

Una vez completada la reacción, se cuantifican el titulante y el producto restantes (por ejemplo, mediante espectroscopia de transformada de Fourier ) (FT-IR); esto se utiliza para determinar la cantidad de analito en la muestra original.

La titulación en fase gaseosa tiene varias ventajas sobre la espectrofotometría simple . En primer lugar, la medición no depende de la longitud del trayecto, porque se utiliza la misma longitud del trayecto para la medición tanto del exceso de titulante como del producto. En segundo lugar, la medición no depende de un cambio lineal en la absorbancia como función de la concentración del analito, tal como se define en la ley de Beer-Lambert . En tercer lugar, es útil para muestras que contienen especies que interfieren en longitudes de onda que se utilizan normalmente para el analito. [36]

Titulación complexométrica

Las titulaciones complexométricas se basan en la formación de un complejo entre el analito y el titulante. En general, requieren indicadores complexométricos especializados que formen complejos débiles con el analito. El ejemplo más común es el uso de un indicador de almidón para aumentar la sensibilidad de la titulación yodométrica, siendo el complejo azul oscuro de almidón con yodo y yoduro más visible que el yodo solo. Otros indicadores complexométricos son el negro de eriocromo T para la titulación de iones de calcio y magnesio , y el agente quelante EDTA utilizado para titular iones metálicos en solución. [37]

Titulación del potencial zeta

Las titulaciones de potencial zeta son titulaciones en las que la finalización se controla mediante el potencial zeta , en lugar de mediante un indicador , para caracterizar sistemas heterogéneos , como los coloides . [38] Uno de los usos es determinar el punto isoeléctrico cuando la carga superficial se vuelve cero, lo que se logra cambiando el pH o agregando surfactante . Otro uso es determinar la dosis óptima para la floculación o estabilización . [39]

Ensayo

Un ensayo es un tipo de titulación biológica que se utiliza para determinar la concentración de un virus o bacteria . Se realizan diluciones seriadas en una muestra en una proporción fija (como 1:1, 1:2, 1:4, 1:8, etc.) hasta que la última dilución no dé un resultado positivo en la prueba de presencia del virus. El valor positivo o negativo se puede determinar inspeccionando visualmente las células infectadas bajo un microscopio o mediante un método inmunoenzimático como el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA). Este valor se conoce como título . [40]

Medición del punto final de una titulación

Los diferentes métodos para determinar el punto final incluyen: [41]

  • Indicador: Sustancia que cambia de color en respuesta a un cambio químico. Un indicador ácido-base (por ejemplo, fenolftaleína ) cambia de color según el pH. También se utilizan indicadores redox . Se añade una gota de solución indicadora a la titulación al principio; se alcanza el punto final cuando el color cambia.
  • Potenciómetro : instrumento que mide el potencial del electrodo de la solución. Se utilizan para titulaciones redox; el potencial del electrodo de trabajo cambiará repentinamente cuando se alcance el punto final.
Un medidor de pH elemental que se puede utilizar para monitorear reacciones de titulación.
  • Medidor de pH : Potenciómetro con un electrodo cuyo potencial depende de la cantidad de iones H + presentes en la solución. (Este es un ejemplo de electrodo selectivo de iones ). El pH de la solución se mide durante toda la titulación, con mayor precisión que con un indicador; en el punto final habrá un cambio repentino en el pH medido.
  • Conductividad : Medición de iones en una solución. La concentración de iones puede cambiar significativamente en una titulación, lo que cambia la conductividad. (Por ejemplo, durante una titulación ácido-base, los iones H + y OH− reaccionan para formar H2O neutro ) . Como la conductancia total depende de todos los iones presentes en la solución y no todos los iones contribuyen por igual (debido a la movilidad y la fuerza iónica ), predecir el cambio en la conductividad es más difícil que medirlo.
  • Cambio de color: en algunas reacciones, la solución cambia de color sin necesidad de añadir ningún indicador. Esto se observa a menudo en las valoraciones redox, cuando los diferentes estados de oxidación del producto y del reactivo producen colores diferentes.
  • Precipitación : si una reacción produce un sólido, se formará un precipitado durante la titulación. Un ejemplo clásico es la reacción entre Ag + y Cl− para formar la sal insoluble AgCl. Los precipitados turbios suelen dificultar la determinación precisa del punto final. Para compensar, las titulaciones de precipitación a menudo deben realizarse como titulaciones "inversas" (ver a continuación).
  • Calorímetro de titulación isotérmica : instrumento que mide el calor producido o consumido por la reacción para determinar el punto final. Se utiliza en titulaciones bioquímicas , como la determinación de cómo se unen los sustratos a las enzimas .
  • Titulación termométrica : se diferencia de la titulación calorimétrica porque el calor de la reacción (indicado por el aumento o la caída de la temperatura) no se utiliza para determinar la cantidad de analito en la solución de muestra. En cambio, el punto final se determina por la velocidad del cambio de temperatura .
  • Espectroscopia : Se utiliza para medir la absorción de luz por la solución durante la titulación si se conoce el espectro del reactivo, del titulante o del producto. La concentración del material se puede determinar mediante la Ley de Beer .
  • Amperometría : mide la corriente producida por la reacción de titulación como resultado de la oxidación o reducción del analito. El punto final se detecta como un cambio en la corriente. Este método es más útil cuando se puede reducir el exceso de titulante, como en la titulación de haluros con Ag + .

Punto final y punto de equivalencia

Aunque los términos punto de equivalencia y punto final se utilizan a menudo indistintamente, son términos diferentes. El punto de equivalencia es la finalización teórica de la reacción: el volumen de titulante añadido en el que el número de moles de titulante es igual al número de moles de analito, o algún múltiplo de este (como en los ácidos polipróticos ). El punto final es lo que realmente se mide, un cambio físico en la solución determinado por un indicador o un instrumento mencionado anteriormente. [42]

Existe una ligera diferencia entre el punto final y el punto de equivalencia de la titulación. Este error se denomina error de indicador y es indeterminado. [43] [ ¿ Fuente autopublicada? ]

Titulación por retroceso

La titulación por retroceso es una titulación que se realiza en sentido inverso; en lugar de titular la muestra original, se añade a la solución un exceso conocido de reactivo estándar y se titula el exceso. La titulación por retroceso es útil si el punto final de la titulación inversa es más fácil de identificar que el punto final de la titulación normal, como en el caso de las reacciones de precipitación . Las titulaciones por retroceso también son útiles si la reacción entre el analito y el titulante es muy lenta o cuando el analito se encuentra en un sólido no soluble . [44]

Métodos gráficos

El proceso de titulación crea soluciones con composiciones que van desde el ácido puro hasta la base pura. Identificar el pH asociado con cualquier etapa del proceso de titulación es relativamente simple para los ácidos y bases monopróticos. La presencia de más de un grupo ácido o base complica estos cálculos. Los métodos gráficos [45] , como el equilígrafo [46] , se han utilizado durante mucho tiempo para explicar la interacción de los equilibrios acoplados.

Usos particulares

Se demuestra una titulación a estudiantes de secundaria.

Titulaciones ácido-base

Titulaciones redox

  • Prueba de Winkler para oxígeno disuelto : se utiliza para determinar la concentración de oxígeno en el agua. El oxígeno en las muestras de agua se reduce utilizando sulfato de manganeso (II) , que reacciona con yoduro de potasio para producir yodo . El yodo se libera en proporción al oxígeno en la muestra, por lo que la concentración de oxígeno se determina con una titulación redox de yodo con tiosulfato utilizando un indicador de almidón. [49]
  • Vitamina C : También conocida como ácido ascórbico, la vitamina C es un potente agente reductor. Su concentración se puede identificar fácilmente cuando se titula con el colorante azul diclorofenolindofenol ( DCPIP ), que se vuelve incoloro cuando se reduce con la vitamina. [50]
  • Reactivo de Benedict : el exceso de glucosa en la orina puede indicar diabetes en un paciente. El método de Benedict es el método convencional para cuantificar la glucosa en la orina utilizando un reactivo preparado. Durante este tipo de titulación, la glucosa reduce los iones cúpricos a iones cuprosos que reaccionan con el tiocianato de potasio para producir un precipitado blanco, que indica el punto final. [51]
  • Número de bromo : Medida de insaturación de un analito, expresada en miligramos de bromo absorbidos por 100 gramos de muestra.
  • Índice de yodo : Medida de insaturación de un analito, expresada en gramos de yodo absorbidos por 100 gramos de muestra.

Misceláneas

  • Titulación de Karl Fischer : método potenciométrico para analizar trazas de agua en una sustancia. Se disuelve una muestra en metanol y se titula con un reactivo de Karl Fischer (que consta de yodo , dióxido de azufre , una base y un disolvente, como el alcohol ). El reactivo contiene yodo, que reacciona proporcionalmente con el agua. Por lo tanto, el contenido de agua se puede determinar controlando el potencial eléctrico del exceso de yodo. [52]

Véase también

Referencias

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