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Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 1 Disciplina QUIO94 - Introdução à Análise Química I semestre 2018 TITULAÇÃO ÁCIDO-BASE Ácidos Polipróticos Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos Download aulas: http://www.ufjf.br/nupis/ Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 2 Ka1 / Ka2 10 4 ou pKa2 pKa1 4 A titulação envolvendo ácidos polipróticos com base forte assemelha-se a titulação de vários ácidos monopróticos de forças diferentes (Ka diferentes). O desenvolvimento da curva de titulação depende dos valores absolutos e relativos das constantes de dissociação sucessivas, havendo uma inflexão para cada H ionizável. Condição para que cada inflexão da curva associe-se a uma variação de pH conveniente: a) Valores Absolutos: Constante de ionização relacionada a cada H ionizável não seja de um ácido muito fraco. b) Valores relativos: TITULAÇÃO ÁCIDOS POLIPRÓTICOS Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 3 H2A (aq) + BOH (aq) BHA (aq) + H2O (1PE) BHA (aq) + BOH (aq) B2A (aq) + H2O (2PE) H2A (aq) + 2BOH (aq) B2A (aq) + 2H2O (ácido poliprótico) (base forte) (sal formado) Considerando a titulação de um ácido poliprótico hipotético H2A: Dissociação do ácido: H2A (aq) + H2O(l) H3O + (aq) + HA¯(aq) Ka1 ( 1 constante de dissociação) HA¯(aq) + H2O(l) H3O + (aq) + A2 (aq) Ka2 ( 2 constante de dissociação) Reação Química de neutralização com uma base forte hipotética BOH: Cálculo do volume de titulante necessário para atingir o PE Do inicio até o 1PE : nº mol H2A = nº mol BOH Do inicio até o 2PE : 2 nº mol H2A = nº mol BOH Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 4 H2A (aq) + H2O(l) H3O + (aq) + HA¯ (aq) Ka1 Início Ca - - - Equilíbrio Ca - x - x x 1 ETAPA Antes de iniciar a titulação A solução aquosa de um ácido poliprótico. O pH da solução será determinado pela dissociação do ácido poliprótico. No equilíbrio: BC: [H3O +] = [HA¯] = x BM: [H2A] = CaH2A - x Ka1 = [HA¯]●[ H3O +] [H2A] Ka1 = x ● x Ca H2A - x a)Se Ca H2A/Ka1 102 [H2A] Ca H2A b) Se Ca/Ka 102 x2 + Ka1 x - Ka1 Ca H2A = 0 Ka1 = X2 Ca H2A [H3O +] = ]2[1 AHxKa [ H3O +]2 [H2A] = Considerando Ka2 Ka1 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 5 H2CO3 (aq) + NaOH (aq) NaHCO3 (aq) + H2O(l) (1PE) NaHCO3 (aq) + NaOH (aq) Na2CO3 (aq) + H2O(l) H2CO3 (aq) + 2 NaOH (aq) Na2CO3 (aq) + 2 H2O(l) (2PE) Exemplo 1: Titulação de 25 mL de H2CO3 0,100 mol/L com NaOH 0,100 mol/L. Dado Ka1= 4,60 x 10-7 e Ka2= 5,60 x 10-11. 1. Escrever a reação química: 2. Avaliação dos valores Ka absolutos & razões: Ka1 / Ka2 = 4,60 x 10-7 / 5,60 x 10-11 = 8,3 x 103 1 x 104 1PE : n mol NaOH = n mol H2CO3 C NaOH∙V NaOH add = C H2CO3∙V H2CO3 0,100 mol/L ∙V NaOH add = 0,100 mol/L∙25,00 mL V NaOH PE = 25,0 mL 2PE : n mol NaOH = 2∙ n mol H2CO3 C NaOH∙V NaOH add = 2∙C H2CO3∙V H2CO3 0,100 mol/L ∙V NaOH add = 2∙0,100 mol/L∙25,00 mL V NaOH PE = 50,0 mL 3. Calcular o volume de titulante necessário para atingir os pontos de equivalências. Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 6 H2CO3 (aq) + H2O(l) H3O + (aq) + HCO3¯ (aq) Ka1= 4,60 x 10-7 Início 0,100 - - - Equilíbrio 0,100 - x - x x 1 ETAPA Antes de iniciar a titulação pH da solução será determinado pela dissociação do H2CO3. Aproximações no equilíbrio: Balanço de Cargas: [H3O +] = [HCO3¯ ] = x Balanço de Massas: [H2CO3] = CaH2A – x = 0,100 - x Ka1 = [HCO3¯]●[ H3O +] [H2CO3] [H3O +] = ]COH[1 32 xKa Ka1 [ H3O +]2 [H2CO3] = [H3O +] = 100,0 10 x 4,60 -7 x = 2,14 x 10-4 mol/L pH = 3,67 Ca H2A/Ka1 = 0,100/4,60 x 10-7 = 217 [H2CO3] = 0,100 – x 0,100 mol/L Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 7 H2A (aq) + NaOH(aq) NaHA (aq) + H2O (l) Início Ca - - - Adição - x - - Equilíbrio Ca - x - x x 2 ETAPA Antes de atingir o 1 Ponto de Equivalência A solução é composta por uma mistura de H2A que resta em solução e o HA¯ formado pela reação, gerando o 1 sistema tampão HA¯ e H2A. O pH poderá ser calculado através da relação de concentrações [HA¯]/[H2A] No equilíbrio: [HA¯] = x [H2A] = CaH2A - x [H3O +] = Ka1 ● [H2A] [HA¯] Ka1 = [HA¯]●[ H3O +] [H2A] pH = pKa1 + log [HA¯] [H2A] Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 8 H2CO3 (aq) + NaOH(aq) NaHCO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00125 - - Equilíbrio 0,00125 - 0,00125 0,00125 2 ETAPA Antes de atingir o 1 Ponto de Equivalência Ex: Volume NaOH = 12,5 mL (Volume de NaOH adicionado = 1/2 V NaOH 1 pE) Volume final (mL): 25,0 + 12,5 No equilíbrio: [HCO3¯] = (0,00125)/(0,0250 + 0,0125) = 0,0333 mol/L [H2CO3] = (0,00125)/(0,0250+ 0,0125) = 0,0333 mol/L [H3O +] = 4,60 x 10-7● (0,0333) (0,0333) pH = 6,34 + log (0,0333) (0,0333) Ka1 = [HCO3¯]●[ H3O +] [H2CO3] = 4,60 x 10-7 mol/L pH = 6,34 [H3O +] = Ka1 ● [H2CO3] [HCO3¯] Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 9 H2CO3 (aq) + NaOH(aq) NaHCO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00200 - - Equilíbrio 0,000500 - 0,00200 0,00200 2 ETAPA Antes de atingir o 1 Ponto de Equivalência Ex: Volume NaOH = 20,0 mL Volume final (mL): 25,0 + 20,0 No equilíbrio: [HCO3¯] = (0,000200)/(0,0250 + 0,0200) = 0,0444 mol/L [H2CO3] = (0,000500)/(0,0250 + 0,0200) = 0,0111 mol/L [H3O +] = 4,60 x 10-7● (0,0111) (0,0444) pH = 6,34 + log (0,0444) (0,0111) Ka1 = [HCO3¯]●[ H3O +] [H2CO3] = 1,15 x 10-7 mol/L pH = 6,94 [H3O +] = Ka1 ● [H2CO3] [HCO3¯] Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 10 HA¯(aq) + H2O(l) H3O + (aq) + A2 (aq) Ka2 ( 2 dissociação) HA¯(aq) + H2O(l) H2A (aq) + OH (aq) Kh ( hidrólise) Dissociação 3 ETAPA No 1 Ponto de Equivalência Todo ácido fraco H2A foi convertido em HA¯, resultando em uma solução aquosa de sal de ácido poliprótico e base forte. 2 3 Ka2 = [A2¯]●[H3O +] [HA¯] [A2¯] = Ka2 ● [HA¯] [H3O +] [H3O +]2 = Ka1 ●Ka2●[ HA¯] Ka1 + [HA¯] Ka1 = [HA¯]●[H3O +] [H2A] [H2A] = [H3O +]●[HA¯] Ka1 2 3 1 Ka2● [HA¯] [H3O +] = [H3 O +] + [H3O +]●[HA¯] Ka1 [A2¯] = [H3O +] 1 [A2¯] = [H3O +] + [H2A] ( gerado pela associação do H30 + a HA-) Substituindo e em : Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 11 pH = 1/2pKa1 + 1/2pKa2 Se Ka1 Ca HA¯: Ex. titulação H2CO34,60 x 10-7 0,0500 mol/L Aplicando a função “p = -log ”: Ka2 Ka1 [H3O +] = [H3O +]2 = Ka1 ●Ka2●[ HA¯] Ka1 + [HA¯] [H3O +]2 = Ka1 ●Ka2●[ HA¯] [HA¯] = Ka1 ●Ka2 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 12 pH = ½(6,34) + ½(10,25) = 8,29 H2CO3 (aq) + NaOH(aq) NaHCO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00250 - - Equilíbrio - - 0,00250 0,00250 Como Ka1 Ca HCO3¯ : (4,60 x 10-7 0,0500 mol/L) ou 3 ETAPA No 1 Ponto de Equivalência Volume NaOH = 25,0 mL de NaOH. Volume final (mL): 25,0 + 25,0 [H3O +] = a2a1 K K = 11-10 x 5,60 7·-10 x 4,60 = 5,10 x 10-9 mol/L pH = 8,29 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 13 Volume total titulante adicionado Volume 1 PE NaHA (aq) + NaOH(aq) Na2A (aq) + H2O (l) Início Ca - - - Adição - x - - Equilíbrio Ca - x - x x 4 ETAPA Entre o 1 e o 2 Ponto de Equivalência A solução é composta por uma mistura de HA¯ que resta em solução e o A2¯ formado pela reação, gerando o 2 sistema tampão A2¯ e HA¯. O pH poderá ser calculado através da relação de concentrações [A2¯]/[ HA¯]. No equilíbrio: [A2¯] = x [HA¯] = Ca HA¯ - x [H3O +] = Ka2 ● [HA¯] [A2¯] Ka2 = [A2¯]●[ H3O +] [HA¯] pH = pKa2 + log [A2¯] [HA¯] Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 14 V(titulante) 25,0 mL reagiu com H2CO3 até o 1 PE H2CO3 (aq) + NaOH(aq) NaHCO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00250 - - Equilíbrio - - 0,00250 0,00250 V(titulante) restante 12,5 mL reagiu com NaHCO3. NaHCO3 (aq) + NaOH(aq) Na2 CO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 1,25 x 10-3 - - Equilíbrio 1,25 x 10-3 - 1,25x 10-3 1,25 x 10-3 4 ETAPA Entre o 1 e o 2 Ponto de Equivalência Ex: 37,5 mL de NaOH (Volume de NaOH adicionado = 3/4 V NaOH 2 pE) Volume final (mL): 25,0 + 37,5 mL Volume final (mL): 25,0 + 26,0 pH = 10,25 + log (0,0200) (0,0200) [H3O +] = Ka2 ● [HCO3¯] [CO3 2¯] [H3O +] = 5,60 x 10-11● (0,0200) (0,0200) = 5,60 x 10-11mol/L pH = 10,25 No equilíbrio: [CO3 2¯] = (0,00125)/(0,0250 + 0,0375) = 0,0200 mol/L [HCO3¯] = (0,00125)/(0,0250 + 0,0375) = 0,0200 mol/L Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 15 V(titulante) 1 PE H2A (aq) + NaOH(aq) NaHA (aq) + H2O (l) Início n mol H2A - - - Adição - x - - Equilíbrio - - n mol HA –(1PE) - V(titulante) 2 PE NaHA (aq) + NaOH(aq) Na2A (aq) + H2O (l) Início n mol HA –(1PE) - - - Adição - x - - Equilíbrio - - n mol A2 – (1PE) - Hidrólise A2¯ no 2 PE A2¯ (aq) + H2O (l) HA¯ (aq) + OH¯ (aq) Kh Início Ca - - - Equilíbrio Ca - x - x x 5 ETAPA No 2 Ponto de Equivalência Todo ácido fraco HA¯ foi convertido em A2¯, resultando em uma solução aquosa de sal de ácido poliprótico e base forte – hidrólise de A2¯. Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 16 No equilíbrio: = [HA¯]●[ OH -] [A2¯] Kh = KW Ka2 = [ OH -]2 [A2¯] Kh = KW Ka2 a)Se Ca A2¯/ Kh 102 [A2¯] Ca A2¯ b) Se Ca/Ka 102 x2 + Kh x - Kh Ca A2¯ = 0 2¯ Aa 2 W C K a K [OH-] = Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 17 V(titulante) 25,0 mL reagiu com H2CO3 até o 1 PE H2CO3 (aq) + NaOH(aq) NaHCO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00250 - - Equilíbrio - - 0,00250 0,00250 V(titulante) restante 25 mL reagiu com NaHCO3 até o 2 PE NaHCO3 (aq) + NaOH(aq) Na2 CO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00250 - - Equilíbrio - - 0,00250 0,00250 Hidrólise: CO3 2¯ (aq) + H2O (l) H CO3¯ (aq) + OH¯ (aq) Kh Início 0,0333 - - - Equilíbrio 0,0333 - x - x x No equilíbrio: [CO3 2¯] = (0,00250)/(0,0250 + 0,050) = 0,0333 mol/L 4 ETAPA 2 Ponto de Equivalência Ex: Adição de 50,0 mL de NaOH Volume final (mL): 25,0 + 50,0mL Volume final (mL): 25,0 + 26,0 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 18 Ca CO3 2¯/ Kh = 0,0333/1,79 x 10-4 = 186 x2 + 1,79 x 10-4 x - 5,95 x 10-6 = 0 x = 2,35 x 10-3 [OH -] = 2,35 x 10-3 mol/L pOH = 2,62 pH = 11,37 hidrólise = 0,071 (7,1 %) = [H CO3¯]●[ OH -] [CO3 2¯] Kh = KW Ka2 = [ OH -]2 [CO3 2¯] Kh = KW Ka2 = x 2 0,0333- x Kh = 1,00 x 10-14 5,60 x 10-11 x 2 0,0333- x 1,79 x 10 -4 = Kh = Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 19 Ex: Volume NaOH = 51,0 mL de NaOH Volume final (mL): 25,0 + 51,0 NaHCO3 (aq) + NaOH(aq) Na2CO3 (aq) + H2O (l) Início 0,00250 - - - Adição - 0,00260 - - Equilíbrio - 1,00 x 10-4 0,00250 0,00250 6 ETAPA Após o 2 Ponto de Equivalência Excesso de base forte é adicionado a solução de A2. O pH é determinado pelo excesso de base forte. Nas imediações do PE a hidrólise do sal deve ser considerada no cálculo do pH. [OH-] total = [OH-] NaOH + [OH-] hidrólise carbonato No equilíbrio: [CO3 2¯] = (0,00250)/(0,0250 + 0,051) = 0,0329 mol/L Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 20 Hidrólise: CO3 2¯ (aq) + H2O (l) H CO3¯ (aq) + OH¯ (aq) Kh Início 0,0329 - - - Equilíbrio 0,0329 - x - x x Cálculo [OH-] hidrólise carbonato: Cálculo [OH-] NaOH excesso: Cálculo [OH-] total: [OH-] total 1,32 x 10-3 + 2,44 x 10-3 3,76 x 10-3 mol/L = [OH-]2 0,0329- x Kh = 1,00x10-14 5,68x10-11 = [H CO3¯]●[ OH -] [CO3 2¯] Kh = KW Ka2 [ OH-] hidrólise = 2,44 x10-3 mol/L [ OH-] NaOH excesso = C NaOH · V NaOH excesso V final = 0,100 · 0,001 0,0760 = 0,00132 mol/L pOH = 2,42 pH = 14 - pOH = 11,6 [OH-] total [OH-] NaOH + [OH-] hidrólise carbonato Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 21 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 Volume de titulante (mL) p H 1pE 2pE CURVA DE TITULAÇÃO 25,00 mL H2C03 0,100 mol/L com NaOH 0,100 mol/L (Ka1= 4,60 x 10-7 e Ka2= 5,60 x 10-11) Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 22 Exercício 5: Calcule o valor do pH e as concentrações no equilíbrio das espécies químicas na solução após adição de cada incremento de titulante relacionados na tabela 1 e 2. Escolha um indicador ácido-base para determinar o(s) ponto(s) final(is) em cada titulação Tabela 1: Titulação de 25,00 mL H2C03 0,100 mol/L com solução padrão de NaOH 0,100 mol/L. Volume de NaOH (mL) [H2CO3], mol/L [HCO3 -], mol/L [CO3 2-], mol/L [H3O +], mol/L pH 0 5,0 10,0 12,5 20,0 25,0 28,0 30,0 37,5 40,0 45,0 50,0 52,0 55,0 60,0 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 23 Tabela 2: Titulação de 25,00 mL H3P04 0,100 mol/L com solução padrão de NaOH 0,100 mol/L. Volume de NaOH (mL) [H3P04], mol/L [H2P04 -], mol/L [HP04 2-], mol/L [P04 3-], mol/L pH 0 5,010,0 12,5 20,0 23,0 25,0 30,0 37,5 40,0 48,0 50,0 55,0 62,5 75,0 85,0 100,0 Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 24 CURVA DE TITULAÇÃO 25,00 mL H3P04 0,100 mol/L com NaOH 0,100 mol/L Ka1=7,5 x 10-3, Ka2=6,2 x 10-8, Ka3=4,8 x 10-13 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 Volume de titulante (mL) p H 1◦ PE 2◦ PE 3◦ PE Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 25 Curva de titulação de 50 mL de um ácido fraco monoprótico com NaOH 0,100 mol L-1 (A) e segunda derivada da curva de titulação expandida entorno do ponto de equivalência (49 a 50 mL) (B). Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 26 Curva de titulação de 20 mL de ácido diprótico H2A (Ka1 H2A = 1,00 x 10-3 e Ka2 H2A = 1,00 x 10-7) 0,100 mol L-1 com NaOH 0,100 mol L-1. Introdução a Analise Química – I sem/2018– Profa Ma Auxiliadora 27 7 Exemplo 15-3 e 15-4 - Skoog, 2008 Curva de titulação de 25 mL de ácido maleico 0,100 mol L-1com NaOH 0,100 mol L-1 Ka1 = 1,3 x 10-2 e Ka2 = 5,9 x 10-7. Curva de titulação com NaOH 0,100 mol L-1 de: 25 mL de: (A) ácido fosfórico 0,100 mol L-1, Ka1=7,5 x 10-3, Ka2=6,2 x 10-8, Ka3=4,8 x 10-13, (B) ácido oxálico 0,100 mol L-1, Ka1=5,6 x 10-2, Ka2=5,2 x 10-5 e (C) ácido sulfúrico 0,100 mol L-1.