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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química

“TITULACIÓN CONDUCTIMÉTRICA” Fisicoquímica II – QU428A Chávez Silva Leslie Eliana

INTEGRANTES:

Coaguila Villanueva Rosa Angelica Farro Lévano Jefry Neiser

Ing. Cardenas Mendoza Teodardo

DOCENTES:

Ing. Paucar Cuba Karin LIMA – PERÚ 2019

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INDICE Índice de Figuras ........................................................................................................... 2 No se encuentran elementos de tabla de ilustraciones. Error! Bookmark not defined. Índice de Tablas ............................................................................................................ 2 Objetivos ........................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................................ 3 Parte experimental ............................................................................................................ 6 Datos experimentales .................................................................................................... 6 Tratamiento de datos ......................................................................................................... 8 Observaciones ............................................................................................................. 14 Discusión de resultados .................................................................................................. 14 Conclusiones ................................................................................................................... 14 Bibliografía ..................................................................................................................... 14 Anexos ............................................................................................................................ 15

Índice de Figuras Figura 1. Gráfico de masa electrodepositada experimental vs tiempoError! Bookmark not defined. Figura 2. Gráfico de masa electrodepositada teórica vs tiempoError! Bookmark not defined.

Índice de Tablas Tabla 1. Componentes de la celda electrolítica ................................................................ 6 Tabla 2. Densidad de corriente de la celda ....................................................................... 7 Tabla 3. Masa inicial y área de la placa .......................... Error! Bookmark not defined. Tabla 4. Masa depositada por electrólisis en un tiempo determinadoError! Bookmark not defined. Tabla 5. Masa de cobre electrodepositado experimentalmenteError! Bookmark not defined. Tabla 6. Masa teórica de cobre electrodepositado .......... Error! Bookmark not defined. Tabla 7. Rendimiento de la electrodeposición ................ Error! Bookmark not defined.

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ELECTRÓLISIS DE METALES Objetivos Estudiar el fundamento de las aplicaciones de conductimetría en la titulación de soluciones para determinar el punto de equivalencia y utilizar este dato en el análisis de soluciones. FUNDAMENTO TEÓRICO Las titulaciones conductimétricas pueden ser utilizadas para muchos tipos de determinaciones analíticas volumétricas: ácido-base, redox, precipitación y formación de complejos, intercambio de iones y extracción. La única condición es que en la reacción fundamental de titulación deben participar iones. Curvas de Titulación Las mediciones conductimétricas ofrecen un medio adecuado para la determinación de puntos finales en titulaciones. Para establecer un punto final conductimétrico, se necesitan suficientes mediciones experimentales para definir la curva de titulación. Luego de corregir el cambio de volumen, se grafican los datos de conductancia en función del volumen de reactivo titulante. Posteriormente se extrapolan las dos porciones lineales y se obtiene el punto de equivalencia en la intersección de ambas. Debido a que las reacciones no son absolutamente completas, las curvas de titulación conductimétrica muestran invariablemente desviaciones con relación a la linealidad rigurosa en la región del punto de equivalencia. Las regiones curvas se vuelven más pronunciadas cuando la reacción en cuestión se hace menos favorable y cuando la solución resulta más diluida. Las porciones lineales de la curva se definen mejor a través de mediciones suficientemente alejadas del punto de equivalencia para que el efecto de los iones comunes impulse la reacción más cerca de completarse; las mediciones en la proximidad del punto de equivalencia, a diferencia de los métodos potenciométrica, no tienen ningún significado. Ciertamente, debido al hidrólisis, disociación, o solubilidad del producto de reacción, los valores de la conductividad medida en las cercanías del punto de equivalencia no tienen sentido en la construcción del gráfico, dado que la curva será redondeada en una o ambas ramas. En contraste con los métodos potenciométrica o con indicador, que dependen de observaciones en condiciones en las que la reacción es menos completa, el análisis conductimétrico puede emplearse con éxito para titulaciones basadas en equilibrios relativamente desfavorables. En estos casos, la técnica conductimétrica es la más ventajosa. El punto final conductimétrico es completamente inespecífico. Aunque el método es potencialmente adaptable a todos los tipos de reacciones volumétricas, el número de

4 aplicaciones útiles a sistemas de oxidación-reducción es limitado; el exceso sustancial de ion hidronio típicamente necesario para tales reacciones tiende a enmascarar los cambios de conductividad asociados con la reacción volumétrica. Titulaciones Ácido-Base Las titulaciones de neutralización se adaptan particularmente bien al punto final conductimétrico, debido a la conductancia muy alta de los iones H3O+ y OH- comparada con la conductancia de los productos de reacción.

Titulación de Ácido Fuerte con Base Fuerte Se muestra la curva de titulación conductimétrica de una solución 10-3 M de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio. La Figura 6 ilustra la titulación de un ácido moderadamente débil, cómo el ácido acético (ka≅10-5), con hidróxido de sodio. La no linealidad en las primeras porciones de la curva crea problemas para establecer el punto final; sin embargo, con soluciones concentradas, es posible la titulación. Como antes, podemos interpretar esta curva en base a los cambios que ocurren en la composición. Aquí, la solución tiene inicialmente una concentración moderada de iones hidronio (≈10-4 M). La adición de base establece un sistema amortiguador y la consiguiente disminución de la concentración de iones hidronio. Coincide con esta reducción, el aumento de la concentración de ion sodio y de la base conjugada del ácido. Estos dos factores actúan oponiéndose uno al otro. Al principio, predomina la disminución de la concentración de iones hidronio y se observa una reducción de la conductancia. Al progresar la titulación, el pH se estabiliza (en la región amortiguadora); el aumento del contenido de sal se convierte entonces en el factor más importante, y resulta finalmente un aumento lineal de la

conductancia. Después del punto de equivalencia, la curva adquiere pendiente más pronunciada debido a la mayor conductancia iónica del ion oxhidrilo.

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Figura 1 : Curva de titulación conductimétrica de HCl 10-3 M con NaOH

Titulación de Acido débil con Base Fuerte: A continuación se ilustra la titulación de un ácido moderadamente débil, cómo el ácido acético (ka≅10-5), con hidróxido de sodio. La no linealidad en las primeras porciones de la curva crea problemas para establecer el punto final; sin embargo, con soluciones concentradas, es posible la titulación. Como antes, podemos interpretar esta curva en base a los cambios que ocurren en la composición. Aquí, la solución tiene inicialmente una concentración moderada de iones hidronio (≈10-4 M). La adición de base establece un sistema amortiguador y la consiguiente disminución de la concentración de iones hidronio. Coincide con esta reducción, el aumento de la concentración de ion sodio y de la base conjugada del ácido. Estos dos factores actúan oponiéndose uno al otro. Al principio, predomina la disminución de la concentración de iones hidronio y se observa una reducción de la conductancia. Al progresar la titulación, el pH se estabiliza (en la región amortiguadora); el aumento del contenido de sal se convierte entonces en el factor más importante, y resulta finalmente un aumento lineal de la conductancia. Después del punto de equivalencia, la curva adquiere pendiente más pronunciada debido a la mayor conductancia iónica del ion oxhidrilo.

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Figura 2: Curva de titulación conductimétrica de HAc 10-3 M con NaOH

Titulación de una mezcla de ácido fuerte y ácido débil con base fuerte: La siguiente curva es una típica de la titulación de una mezcla de dos ácidos que difieren en el grado de disociación. La titulación conductimétrica de tales mezclas es frecuentemente más precisa que con un método potenciométrico. En la Figura 3 se muestra la titulación empleando hidróxido de sodio como reactivo titulante.

Figura 3: Curva de titulación conductimétrica de HCl 10 -3 M y HAc 10-3 M con NaOH

Parte experimental Datos experimentales La concentración de hidróxido de sodio utilizado fue de: [𝑵𝒂𝑶𝑯] = 0.085 𝑀 A. Titulación de un ácido fuerte (HCl) con una base fuerte (NaOH)

7 Tabla 1. Datos de titulación de HCl con NaOH

100 ml 4200 μs/cm 18.77 μs/cm

Volumen de HCl kHCl kH2O

Tabla 2. Datos de conductividad de la solución a diferentes volúmenes de NaOH

Volumen Conductancia Volumen Conductancia de NaOH específica K de NaOH específica K (mL) (μs/cm) (mL) (μs/cm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

4200 3850 3470 3160 2830 2470 2750 1831 1530 1336 1395 1461 1541

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1596 1647 1711 1775 1851 1915 1987 2060 2730 2200 2270 2340 2410

B. Titulación de un ácido débil (CH3COOH) con una base fuerte (NaOH)

Tabla 3. Volumen de CH3COOH de la solución

100 ml 177.1 μs/cm 18.77 μs/cm

Volumen de CH3COOH kCH COOH kH O 3

2

Tabla 4. Datos de conductividad de la solución de ácido débil a diferentes volúmenes de NaOH

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

0 0.2 0.4

177.1 168 155.4

11 12 13

1089 1180 1303

8 0.6 0.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

155.5 159 167.5 243 335 438 538 635 724 817 905 1003

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1407 1511 1623 1728 1832 1933 2040 2140 2240 2350 2450 2550

C. Titulación de una mezcla ácido fuerte (HCl) y pacido débil (CH3COOH) con base fuerte (NaOH) Tabla 5. Volúmenes de los componentes de la mezcla

MEZCLA 30 ml 70 ml

Volumen de HCl Volumen de CH3COOH

Tabla 6. Datos de conductividad de la mezcla a diferentes volúmenes de NaOH

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1373 1043 713 563 606 679 753 830 903 982 1040 1138 1214

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1291 1373 1460 1547 1625 1721 1795 1865 1966 2050 2120 2210 2290

9 Tratamiento de datos A. Titulación de un ácido fuerte (HCl) con una base fuerte (NaOH) Se determina la conductividad verdadera de HCl mediante la siguiente relación: 𝑘𝐻𝐶𝑙 = 𝑘𝐻𝐶𝑙+ 𝐻2 𝑂 − 𝑘𝐻2 𝑂 Considerando un volumen de 0 ml de NaOH se tiene: 𝑘𝐻𝐶𝑙 = (4200 − 18.77)𝜇𝑠/𝑐𝑚 𝑘𝐻𝐶𝑙 = 4181.23 𝜇𝑠/𝑐𝑚 Análogamente para cada volumen de NaOH utilizado se tiene Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

4181.23 3831.23 3451.23 3141.23 2811.23 2451.23 2731.23 1812.23 1511.23 1317.23 1376.23 1442.23 1522.23

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1577.23 1628.23 1692.23 1756.23 1832.23 1896.23 1968.23 2041.23 2711.23 2181.23 2251.23 2321.23 2391.23

10 Graficando los de datos de contuctividad y volumen de NaOH se tiene:

Conductividad

k vs VNaOH 4400 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

y = -323.91x + 4126.7 R² = 0.9974

y = 67.204x + 699 R² = 0.999

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Volumen de NaOH

Figura 4. conductividad vs volumen de NaOH, de un ácido fuerte

Se determina el punto de intersección haciendo uso de las dos ecuaciones de recta mostradas en la figura 4. −323.91𝑥 + 4126.7 = 67.204𝑥 + 699 𝑥 = 8.78

Determinación de las concentracion de HCl Ecuaciones Químicas: − + − + − 𝐻 + 𝑎𝑐 + 𝐶𝑙𝑎𝑐 + [𝑁𝑎𝑎𝑐 +𝑂𝐻𝑎𝑐 ] → 𝐻2 𝑂𝑙 + 𝑁𝑎𝑎𝑐 + 𝐶𝑙𝑎𝑐

Ahora: #𝑒𝑞 − 𝑔𝑁𝑎𝑂𝐻 = #𝑒𝑞 − 𝑔𝐻𝐶𝑙 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 𝜃 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 0.085𝑀 × 8.78𝑚𝑙 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 100 𝑚𝑙 𝑴𝑯𝑪𝒍 = 𝟗. 𝟔𝟖𝟏 × 𝟏𝟎−𝟓 𝑴

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B. Titulación de un ácido débil (CH3COOH) con una base fuerte (NaOH)

Se determina la conductividad verdadera de CH3COOH mediante la siguiente relación: 𝑘𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = 𝑘𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻+ 𝐻2 𝑂 − 𝑘𝐻2 𝑂 Considerando un volumen de 0 ml de NaOH se tiene: 𝑘𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = (177.1 − 18.77)𝜇𝑠/𝑐𝑚 𝑘𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = 158.33 𝜇𝑠/𝑐𝑚 Análogamente para cada volumen de NaOH utilizado se tiene Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

158.33 149.23 136.63 136.73 140.23 148.73 224.23 316.23 419.23 519.23 616.23 705.23 798.23 886.23 984.23

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1070.23 1161.23 1284.23 1388.23 1492.23 1604.23 1709.23 1813.23 1914.23 2021.23 2121.23 2221.23 2331.23 2431.23 2531.23

Graficando los de datos de contuctividad y volumen de NaOH se tiene:

12

k vs VNaOH 2800 2600 2400

y = 104.7x - 78.097 R² = 0.9998

2200 2000

Conductividad

1800 1600 1400 1200

y = 93.316x + 47.548 R² = 0.9996

1000 800 600 400 200 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Volumen de NaOH

Figura 5. Conductividad vs volumen de NaOH, de un ácido débil

Se determina el punto de intersección haciendo uso de las dos ecuaciones de recta mostradas en la figura 5. 93.3166𝑥 + 47.548 = 104.7𝑥 − 78.097 𝑥 = 11.03 Determinación de las concentracion de CH3COOH Ecuaciones Químicas: − + + − − + 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝑎𝑐 + 𝐻𝑎𝑐 + [𝑁𝑎𝑎𝑐 +𝑂𝐻𝑎𝑐 ] → 𝐻2 𝑂𝑙 + 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝑎𝑐 + 𝑁𝑎𝑎𝑐

Ahora: #𝑒𝑞 − 𝑔𝑁𝑎𝑂𝐻 = #𝑒𝑞 − 𝑔𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 0.085𝑀 × 11.03 𝑚𝑙 = 𝑀𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 × 100 𝑚𝑙 𝑴𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = 𝟗. 𝟑𝟕𝟓𝟓 × 𝟏𝟎−𝟓 𝑴

13 C. Titulación de una mezcla ácido fuerte (HCl) y pacido débil (CH3COOH) con base fuerte (NaOH)

Se determina la conductividad verdadera de la mezcla mediante la siguiente relación: 𝑘𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑘𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎+ 𝐻2 𝑂 − 𝑘𝐻2 𝑂 Considerando un volumen de 0 ml de NaOH se tiene: 𝑘 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (1373 − 18.77)𝜇𝑠/𝑐𝑚 𝑘𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 1354.23 𝜇𝑠/𝑐𝑚 Análogamente para cada volumen de NaOH utilizado se tiene: Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

Volumen de NaOH (mL)

Conductancia específica K (μs/cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1354.23 1024.23 694.23 544.23 587.23 660.23 734.23 811.23 884.23 963.23 1021.23 1119.23 1195.23

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1272.23 1354.23 1441.23 1528.23 1606.23 1702.23 1776.23 1846.23 1947.23 2031.23 2101.23 2191.23 2271.23

Graficando los de datos de contuctividad y volumen de NaOH se tiene:

14

k vs VNaOH 2400 y = 83.087x + 196.27 R² = 0.9998

2200 2000

Conductividad

1800 1600 y = -276x + 1318.2 R² = 0.9751

1400 1200

y = 71.048x + 313.92 R² = 0.997

1000 800 600 400 200 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Volumen de NaOH

Figura 6. Conductividad vs volumen de NaOH, de la mezcla

Se determina los puntos de intersección haciendo uso de las tres ecuaciones de recta mostradas en la figura 5. Así, para: 

Primer punto de intersección: −276𝑥1 + 1318.2 = 71.048𝑥1 + 313.92 𝑥1 = 2.8938



Segundo punto de intersección:

71.048𝑥2 + 313.92 = 83.087𝑥2 + 196.27 𝑥2 = 9.772 Determinación de las concentracion de HCl y CH3COOH en la mezcla 

Concentración de HCl Se considera que el primer punto de intersección corresponde al punto de equivalencia del HCl presente en la mezcla, entonces:

#𝑒𝑞 − 𝑔𝑁𝑎𝑂𝐻 = #𝑒𝑞 − 𝑔𝐻𝐶𝑙

15 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 𝜃 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 0.085𝑀 × 2.8938 𝑚𝑙 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 100 𝑚𝑙 𝑴𝑯𝑪𝒍 = 𝟐. 𝟒𝟔𝟎 × 𝟏𝟎−𝟑 𝑴 

Concentración de CH3COOH Se considera que el segundo punto de intersección corresponde al punto de equivalencia del CH3COOH presente en la mezcla, entonces: #𝑒𝑞 − 𝑔𝑁𝑎𝑂𝐻 = #𝑒𝑞 − 𝑔𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 × 𝜃 × 𝑉𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 0.085𝑀 × (9.772 − 2.8938)𝑚𝑙 = 𝑀𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 × 100 𝑚𝑙 𝑴𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = 𝟓. 𝟖𝟒𝟔 × 𝟏𝟎−𝟑 𝑴



 



Observaciones En la titulación de un ácido acético con NaOH se agregó primero un volumen de valorante (NaOH) cada 0.2 ml hasta que se cubra la primera curva descendente y luego cada mililitro. Se tomaron 3 medidas de conductividad y luego se consideró el valor del promedio Recomendaciones Tener cuidado al momento de introducir el electrodo en la solución de manera de que no toque el magneto en plena agitación al mismo tiempo que casi todo el elctrodo quede sumergido. La velocidad del agitador magnético debe ser tal que en el líquido no se genere turbulencia o vórtice. Discusión de resultados

Conclusiones Bibliografía No hay ninguna fuente en el documento actual.

16 Anexos