Titolazione acido-base — Procedura, calcoli e indicatori

La titolazione acido-base è un metodo per determinare la concentrazione incognita di un acido o di una base facendola reagire con una soluzione standard a concentrazione nota. Si aggiunge la soluzione standard finché la reazione raggiunge il punto equivalente, in cui acido e base hanno reagito secondo l'esatto rapporto molare dell'equazione bilanciata.

In un tipico allestimento di laboratorio, si misura il campione, si aggiunge il titolante da una buretta, si osserva il punto finale e si usa il volume di titolante per calcolare la concentrazione incognita. Se la reazione è $1{:}1$, si può usare la scorciatoia $C_aV_a = C_bV_b$. Se non è $1{:}1$, bisogna prima usare l'equazione bilanciata.

Perché la titolazione acido-base funziona

Il metodo funziona perché la neutralizzazione segue la stechiometria. Al punto equivalente, le quantità che reagiscono non sono semplicemente "vicine". Corrispondono all'equazione chimica bilanciata.

Questa condizione è importante. HCl e NaOH reagiscono in rapporto $1{:}1$, ma l'acido solforico e l'idrossido di sodio reagiscono in rapporto $1{:}2$:

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

Quindi il solo volume non basta mai. Serve anche il rapporto molare ricavato dall'equazione.

Procedura della titolazione acido-base passo dopo passo

Una titolazione standard in classe o in laboratorio di solito segue questi passaggi:

1. Risciacqua e riempi la buretta con la soluzione standard.
2. Preleva con una pipetta un volume noto della soluzione incognita in una beuta.
3. Aggiungi alcune gocce di un indicatore adatto, oppure usa una sonda pH.
4. Aggiungi il titolante agitando, poi procedi goccia a goccia vicino al punto finale.
5. Registra la lettura della buretta quando compare il punto finale.
6. Ripeti finché non ottieni titoli concordanti.

Il punto finale è il segnale visibile, come un cambiamento di colore. Il punto equivalente è il punto stechiometrico definito dalla chimica. Nei problemi da libro spesso vengono trattati come se fossero la stessa cosa, ma nel lavoro reale di laboratorio sono solo vicini tra loro.

Formula e calcolo della titolazione acido-base

L'approccio più sicuro è partire dalle moli e dall'equazione bilanciata:

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

dove $a$ e $b$ sono i coefficienti stechiometrici dell'equazione bilanciata.

Poiché $n = CV$, questo diventa:

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

Questa è la relazione generale della titolazione acido-base.

La scorciatoia

$$C_aV_a = C_bV_b$$

funziona solo quando la reazione è $1{:}1$.

Esempio svolto: determinare una concentrazione incognita di HCl

Supponiamo che $25.0\ \mathrm{mL}$ di acido cloridrico vengano titolati con idrossido di sodio a $0.100\ \mathrm{mol/L}$. Il punto finale viene raggiunto dopo l'aggiunta di $18.4\ \mathrm{mL}$ di NaOH. Determina la concentrazione di HCl.

Per prima cosa scrivi la reazione:

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

Questa è una reazione $1{:}1$, quindi al punto equivalente le moli di HCl e NaOH sono uguali.

Calcola le moli di NaOH aggiunte:

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

Quindi il campione di HCl conteneva anche:

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

Ora dividi per il volume dell'acido in litri:

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

Quindi la concentrazione dell'acido è:

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

Questo esempio mostra la logica della maggior parte dei problemi di titolazione: una concentrazione nota più un volume misurato danno le moli, e le moli danno la concentrazione incognita.

Come scegliere l'indicatore giusto

Un indicatore dovrebbe cambiare colore nella parte ripida della curva di titolazione. Se il suo intervallo di viraggio è lontano dalla brusca variazione di pH, può segnalare il punto finale troppo presto o troppo tardi.

Per una titolazione acido forte-base forte, possono andare bene diversi indicatori comuni perché il salto di pH vicino al punto equivalente è grande. Per una titolazione acido debole-base forte, di solito è più adatto un indicatore con intervallo di viraggio nella zona basica, perché il punto equivalente è tipicamente maggiore di $7$ in soluzione acquosa diluita. Per una titolazione acido forte-base debole, spesso è più adatto un indicatore che cambia nella zona acida.

La regola pratica è semplice: abbina l'indicatore alla curva di titolazione, non solo ai nomi dei reagenti.

Errori comuni nella titolazione acido-base

Usare $C_aV_a = C_bV_b$ automaticamente

Questa scorciatoia è valida solo per una reazione $1{:}1$. Se i coefficienti sono diversi, usa prima l'equazione bilanciata.

Confondere punto finale e punto equivalente

Il punto finale è ciò che osservi. Il punto equivalente è ciò che definisce la stechiometria. Devono essere vicini, ma per definizione non sono identici.

Superare il punto finale

La maggior parte del volume utile si aggiunge senza problemi prima delle ultime gocce. Vicino al punto finale, una sola goccia in più può fare la differenza.

Mescolare le unità di volume

Se calcoli le moli con $n = CV$, usa la concentrazione in $\mathrm{mol/L}$ e il volume in $\mathrm{L}$. Se usi la forma a rapporto su entrambi i lati, le unità di volume devono comunque corrispondere.

Quando si usa la titolazione acido-base

La titolazione acido-base si usa per determinare concentrazioni incognite, standardizzare soluzioni e verificare la concentrazione di un campione. Inoltre trasforma l'idea di neutralizzazione in un metodo di laboratorio misurabile.

È particolarmente utile quando la reazione di neutralizzazione è ben definita e il punto finale può essere rilevato chiaramente.

Prova un problema simile

Modifica l'esempio svolto sostituendo il volume di NaOH con $22.0\ \mathrm{mL}$ invece di $18.4\ \mathrm{mL}$, poi risolvilo di nuovo. Dopo, prova un caso non $1{:}1$ come $\mathrm{H_2SO_4}$ con NaOH e nota che l'impostazione cambia prima ancora dei calcoli.