Titulação ácido-base — procedimento, cálculos e indicadores

A titulação ácido-base é um método para determinar a concentração desconhecida de um ácido ou de uma base fazendo-o reagir com uma solução padrão de concentração conhecida. Você adiciona a solução padrão até que a reação atinja o ponto de equivalência, em que o ácido e a base reagiram na razão molar exata dada pela equação balanceada.

Em uma montagem típica de laboratório, você mede a amostra, adiciona o titulante a partir de uma bureta, observa o ponto final e usa o volume de titulante para calcular a concentração desconhecida. Se a reação for $1{:}1$, o atalho $C_aV_a = C_bV_b$ funciona. Se não for $1{:}1$, você deve usar primeiro a equação balanceada.

Por que a titulação ácido-base funciona

O método funciona porque a neutralização segue a estequiometria. No ponto de equivalência, as quantidades que reagem não estão apenas "próximas". Elas correspondem à equação química balanceada.

Essa condição é importante. HCl e NaOH reagem na proporção $1{:}1$, mas o ácido sulfúrico e o hidróxido de sódio reagem na proporção $1{:}2$:

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

Portanto, o volume sozinho nunca é suficiente. Você também precisa da razão molar dada pela equação.

Procedimento da titulação ácido-base passo a passo

Uma titulação padrão em sala de aula ou no laboratório geralmente segue estas etapas:

1. Enxágue e encha a bureta com a solução padrão.
2. Transfira com pipeta um volume conhecido da solução desconhecida para um frasco.
3. Adicione algumas gotas de um indicador adequado ou use uma sonda de pH.
4. Adicione o titulante enquanto agita, depois passe a adicionar gota a gota perto do ponto final.
5. Registre a leitura da bureta quando o ponto final aparecer.
6. Repita até obter títulos consistentes.

O ponto final é o sinal visível, como uma mudança de cor. O ponto de equivalência é o ponto estequiométrico definido pela química. Em problemas de livro, eles costumam ser tratados como iguais, mas no trabalho real de laboratório eles são apenas próximos um do outro.

Fórmula e cálculo da titulação ácido-base

A abordagem mais segura é começar pelos mols e pela equação balanceada:

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

em que $a$ e $b$ são os coeficientes estequiométricos da equação balanceada.

Como $n = CV$, isso se torna:

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

Essa é a relação geral da titulação ácido-base.

O atalho

$$C_aV_a = C_bV_b$$

funciona apenas quando a reação é $1{:}1$.

Exemplo resolvido: encontrando uma concentração desconhecida de HCl

Suponha que $25.0\ \mathrm{mL}$ de ácido clorídrico sejam titulados com $0.100\ \mathrm{mol/L}$ de hidróxido de sódio. O ponto final é atingido depois que $18.4\ \mathrm{mL}$ de NaOH são adicionados. Determine a concentração do HCl.

Primeiro, escreva a reação:

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

Essa é uma reação $1{:}1$, então os mols de HCl e NaOH são iguais no ponto de equivalência.

Calcule os mols de NaOH adicionados:

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

Logo, a amostra de HCl também continha:

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

Agora divida pelo volume do ácido em litros:

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

Portanto, a concentração do ácido é:

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

Este exemplo mostra a lógica da maioria dos problemas de titulação: concentração conhecida mais volume medido fornecem os mols, e os mols fornecem a concentração desconhecida.

Como escolher o indicador certo

Um indicador deve mudar de cor na parte mais íngreme da curva de titulação. Se sua faixa de transição estiver longe da mudança brusca de pH, ele pode indicar o ponto final cedo demais ou tarde demais.

Em uma titulação de ácido forte com base forte, vários indicadores comuns podem funcionar porque o salto de pH perto da equivalência é grande. Em uma titulação de ácido fraco com base forte, um indicador com faixa de transição no lado básico costuma ser mais adequado, porque o ponto de equivalência normalmente fica acima de $7$ em solução aquosa diluída. Em uma titulação de ácido forte com base fraca, um indicador que muda na faixa ácida geralmente é mais apropriado.

A regra prática é simples: combine o indicador com a curva de titulação, e não apenas com os nomes dos reagentes.

Erros comuns em titulação ácido-base

Usar $C_aV_a = C_bV_b$ automaticamente

Esse atalho só é válido para uma reação $1{:}1$. Se os coeficientes forem diferentes, use primeiro a equação balanceada.

Confundir ponto final com ponto de equivalência

O ponto final é o que você observa. O ponto de equivalência é o que a estequiometria define. Eles devem estar próximos, mas não são idênticos por definição.

Passar do ponto perto do ponto final

A maior parte do volume útil é adicionada com segurança antes das últimas gotas. Perto do ponto final, uma gota extra pode fazer diferença.

Misturar unidades de volume

Se você calcular mols com $n = CV$, use concentração em $\mathrm{mol/L}$ e volume em $\mathrm{L}$. Se usar a forma de razão nos dois lados, as unidades de volume ainda precisam ser compatíveis.

Quando a titulação ácido-base é usada

A titulação ácido-base é usada para determinar concentrações desconhecidas, padronizar soluções e verificar a concentração de uma amostra. Ela também transforma a ideia de neutralização em um método de laboratório mensurável.

Ela é mais útil quando a reação de neutralização é bem definida e o ponto final pode ser detectado com clareza.

Tente um problema parecido

Altere o exemplo resolvido para que o volume de NaOH seja $22.0\ \mathrm{mL}$ em vez de $18.4\ \mathrm{mL}$ e depois resolva novamente. Em seguida, tente um caso que não seja $1{:}1$, como $\mathrm{H_2SO_4}$ com NaOH, e perceba que a montagem muda antes da aritmética.