Determinación espectrofotométrica del pKa de un indicador

LABORATORIO No. 6. Determinación espectrofotométrica del pKa de un indicador

1. OBJETIVO

1.1 Determinar el pKa del indicador naranja de metilo a partir de medidas de absorbancia.

1.2 Obtener el espectro de absorción del naranja de metilo a diferentes pH.

2. CONCEPTOS GENERALES

En general se puede considerar que los indicadores ácido-base son compuestos cuyas formas ácida (pH bajo) y básica (pH alto) presentan distinto color. El cambio de estructura, que implica el cambio de color, tiene lugar en un intervalo de pH pequeño (1-2 unidades de pH alrededor del pK del indicador). En este intervalo de pH se encuentran presentes simultáneamente las dos formas del indicador, la forma ácida y la básica.

El equilibrio de ionización de un indicador ácido se puede representar mediante la ecuación:

HIn + H2O ⇔ In- + H3O+ (1)

En la que HIn representa la molécula de indicador en su forma ácida e In- la molécula de indicador en su forma básica. La constante de ionización correspondiente al equilibrio (1) vendrá expresada de forma aproximada por:

(2)

Se supone que las disoluciones son lo suficientemente diluidas como para que todos los coeficientes de actividad implicados sean muy próximos a la unidad. En estas condiciones es aplicable la ecuación de Henderson-Hasselbalch para la disolución de este indicador en agua:

(3)

De esta manera, si se dispone del valor de la relación de concentraciones, [In-] / [HIn], para un pH determinado, se podrá conocer el valor del pKa del indicador.

En la determinación del pKa del naranja de metilo, el método seguido para el cálculo de la relación [In-]/[HIn] consiste en el registro del espectro electrónico de absorción de una serie de disoluciones, las cuáles son:

a) Una disolución que contenga, exclusivamente, el indicador en su forma ácida (roja), HIn, es decir, una disolución de pH bajo.

b) Una disolución que contenga, exclusivamente, el indicador en su forma básica (amarilla), In-, es decir, una disolución de pH alto.

c) Disoluciones que contengan al indicador en ambas formas simultáneamente, lo que se consigue con disoluciones amortiguadoras, cuyos pH estén en el intervalo en el que se produce el cambio de color del indicador.

Un ejemplo del registro de los espectros de estas disoluciones se muestra en la siguiente figura.

La [In-1]/[HIn], se relaciona con la absorbancia del naranja de metilo haciendo uso de la ley de Beer para cada uno de los espectros. Trabajando a la misma longitud de onda, λ, se obtiene:

pH = 1 AHIn = ε HInbCo (4)

pH = 13 AIn− = εIn−bCo (5)

pH = 3.8 A = ε HInb[HIn] + ε In-b[In−] (6)

AHIn y AIn-, representan las absorbancias de disoluciones en las que sólo está presente la forma ácida o básica del indicador, respectivamente. Mientras que A, es la absorbancia de la disolución tampón en la que coexisten ambas formas del indicador.

Co = [In-] + [HIn] (balance de masa)

εHIn y εIn- representan las absortividades molares de las formas ácida y básica del indicador, respectivamente. b, representa la longitud del paso de la luz.

A partir de las expresiones (4) a (6) se puede demostrar que:

(7)

3. Equipos y reactivos

• 3 matraces aforados de 250 mL

• 6 matraces aforados de 25 mL

• 3 erlenmeyer de 250 mL

• 2 vasos de precipitados de 100 mL

• 1 pipeta graduada de 10 mL

• 1 pipeta aforada de 10 mL

• 1 pipeta graduada de 2 mL

• 1 bureta de 25 mL

• 1 varilla de vidrio/ 1 vidrio de reloj/ 1 cuentagotas/ 1 embudo

• 1 frasco lavador

• 1 soporte de hierro con pinza

• 1 espectrofotómetro

• Hidróxido de sodio en lentejas

• Disolución de naranja de metilo al 0.002 %p

• Ácido clorhídrico concentrado

• Ácido fórmico (utilizar en vitrina)

• Indicador fenolftaleína.

4. PROCEDIMIENTO

4.1 Preparación de disoluciones y titulación de una disolución de ácido fórmico

• Preparar 250 ml de una disolución acuosa de ácido fórmico 0,1 M.

• Preparar 250 ml de una disolución acuosa de hidróxido de sodio 0,1 M.

• Valorar 25 ml de la disolución 0.1 M de ácido fórmico con hidróxido de sodio 0.1 M, usando fenolftaleína como indicador. Repetir tres veces la valoración.

4.2 Espectro de absorción de la forma ácida del indicador naranja de metilo

• Preparar el blanco de la siguiente manera: llevar 10 ml de agua destilada a un matraz de 25 ml, añadir 4 gotas de HCl concentrado y aforar a 25 ml con agua destilada. La disolución se pasa a la celda del espectrofotómetro.

• Preparación de la disolución de naranja de metilo: pipetear 10 ml de disolución 0,002 %p de naranja de metilo, añadir 4 gotas de HCl concentrado y aforar

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