Valoración ácido-base — procedimiento, cálculos e indicadores

La valoración ácido-base es un método para hallar la concentración desconocida de un ácido o una base haciéndolo reaccionar con una disolución patrón de concentración conocida. Se añade la disolución patrón hasta que la reacción alcanza el punto de equivalencia, donde el ácido y la base han reaccionado en la proporción molar exacta de la ecuación ajustada.

En un montaje típico de laboratorio, se mide la muestra, se añade el valorante desde una bureta, se observa el punto final y se usa el volumen de valorante para calcular la concentración desconocida. Si la reacción es $1{:}1$, sirve el atajo $C_aV_a = C_bV_b$. Si no es $1{:}1$, primero hay que usar la ecuación ajustada.

Por qué funciona la valoración ácido-base

Este método funciona porque la neutralización sigue la estequiometría. En el punto de equivalencia, las cantidades que reaccionan no son solo "parecidas". Coinciden con la ecuación química ajustada.

Esa condición es importante. El HCl y el NaOH reaccionan en proporción $1{:}1$, pero el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio reaccionan en proporción $1{:}2$:

$$\mathrm{H_2SO_4} + 2\mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na_2SO_4} + 2\mathrm{H_2O}$$

Por eso, el volumen por sí solo nunca basta. También necesitas la proporción molar de la ecuación.

Procedimiento de la valoración ácido-base paso a paso

Una valoración habitual en clase o en el laboratorio suele seguir estos pasos:

1. Enjuaga y llena la bureta con la disolución patrón.
2. Mide con pipeta un volumen conocido de la disolución desconocida en un matraz.
3. Añade unas gotas de un indicador adecuado o usa una sonda de pH.
4. Añade el valorante mientras agitas, y luego gota a gota cerca del punto final.
5. Anota la lectura de la bureta cuando aparezca el punto final.
6. Repite hasta obtener títulos concordantes.

El punto final es la señal visible, como un cambio de color. El punto de equivalencia es el punto estequiométrico definido por la química. En los problemas de libro a menudo se tratan como si fueran lo mismo, pero en el trabajo real de laboratorio solo son cercanos entre sí.

Fórmula y cálculo de la valoración ácido-base

La forma más segura es empezar por los moles y la ecuación ajustada:

$$\frac{n_{\text{acid}}}{a} = \frac{n_{\text{base}}}{b}$$

donde $a$ y $b$ son los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada.

Como $n = CV$, esto se convierte en:

$$\frac{C_{\text{acid}}V_{\text{acid}}}{a} = \frac{C_{\text{base}}V_{\text{base}}}{b}$$

Esta es la relación general de la valoración ácido-base.

El atajo

$$C_aV_a = C_bV_b$$

solo funciona cuando la reacción es $1{:}1$.

Ejemplo resuelto: hallar una concentración desconocida de HCl

Supón que se valoran $25.0\ \mathrm{mL}$ de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio de concentración $0.100\ \mathrm{mol/L}$. El punto final se alcanza después de añadir $18.4\ \mathrm{mL}$ de NaOH. Halla la concentración del HCl.

Primero escribe la reacción:

$$\mathrm{HCl} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{NaCl} + \mathrm{H_2O}$$

Es una reacción $1{:}1$, así que los moles de HCl y de NaOH son iguales en el punto de equivalencia.

Calcula los moles de NaOH añadidos:

$$n(\mathrm{NaOH}) = CV = 0.100 \times 0.0184 = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

Entonces, la muestra de HCl también contenía:

$$n(\mathrm{HCl}) = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

Ahora divide entre el volumen del ácido en litros:

$$C(\mathrm{HCl}) = \frac{0.00184}{0.0250} = 0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

Por tanto, la concentración del ácido es:

$$0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

Este ejemplo muestra la lógica de la mayoría de los problemas de valoración: una concentración conocida más un volumen medido dan los moles, y los moles dan la concentración desconocida.

Cómo elegir el indicador correcto

Un indicador debe cambiar de color en la parte más pronunciada de la curva de valoración. Si su intervalo de viraje queda lejos del cambio brusco de pH, puede señalar el punto final demasiado pronto o demasiado tarde.

En una valoración de ácido fuerte con base fuerte, pueden servir varios indicadores comunes porque el salto de pH cerca del punto de equivalencia es grande. En una valoración de ácido débil con base fuerte, suele ser más adecuado un indicador con intervalo de viraje en la zona básica, porque el punto de equivalencia normalmente está por encima de $7$ en disolución acuosa diluida. En una valoración de ácido fuerte con base débil, suele encajar mejor un indicador que cambie en la zona ácida.

La regla práctica es simple: ajusta el indicador a la curva de valoración, no solo a los nombres de los reactivos.

Errores comunes en la valoración ácido-base

Usar $C_aV_a = C_bV_b$ automáticamente

Ese atajo solo es válido para una reacción $1{:}1$. Si los coeficientes son distintos, primero usa la ecuación ajustada.

Confundir el punto final con el punto de equivalencia

El punto final es lo que observas. El punto de equivalencia es lo que define la estequiometría. Deben estar próximos, pero por definición no son idénticos.

Pasarse cerca del punto final

La mayor parte del volumen útil se añade sin problema antes de las últimas gotas. Cerca del punto final, una gota de más puede importar.

Mezclar unidades de volumen

Si calculas moles con $n = CV$, usa la concentración en $\mathrm{mol/L}$ y el volumen en $\mathrm{L}$. Si usas la forma de razón en ambos lados, las unidades de volumen también deben coincidir.

Cuándo se usa la valoración ácido-base

La valoración ácido-base se usa para hallar concentraciones desconocidas, estandarizar disoluciones y comprobar la concentración de una muestra. También convierte la idea de neutralización en un método de laboratorio medible.

Es más útil cuando la reacción de neutralización está bien definida y el punto final puede detectarse con claridad.

Prueba un problema similar

Cambia el ejemplo resuelto para que el volumen de NaOH sea $22.0\ \mathrm{mL}$ en lugar de $18.4\ \mathrm{mL}$ y luego resuélvelo otra vez. Después, prueba un caso que no sea $1{:}1$, como $\mathrm{H_2SO_4}$ con NaOH, y observa que el planteamiento cambia antes que la aritmética.