Relatório da Análise 1: Potenciometria

1. Introdução

1.1 Fundamentos teóricos

Esta análise foi realizada utilizando-se da técnica de titulação potenciométrica de uma solução de ácidos fósforico e hidrogenofosfato de sódio em concentração desconhecida. A técnica consiste em observar o aumento de pH na medida em que é adicionado o titulante, no caso, uma base forte. Durante o processo observa-se, no gráfico de pH × volume de titulante, um ponto de inflexão na curva. Este ponto de inflexão é o ponto exato em que ocorre a neutralização do ácido pela base. Por tratar-se de um ácido poliprótico observamos vários pontos de inflexão pelos quais podemos descobrir suas concentrações.

1.2 Equações químicas

Quando o ácido fosfórico (H₃PO₄) está em solução aquosa, ele sofre as seguintes dissociações:

\begin{aligned} \mathrm{H}_3\mathrm{PO}_4(\text{aq}) &\rightarrow \mathrm{H}^{+} + \mathrm{H}_2\mathrm{PO}_4^{-}(\textrm{aq}) \\ \mathrm{H}_2\mathrm{PO}_4^{-}(\text{aq}) &\rightleftharpoons H^{+} + \mathrm{HPO}_4^{2-}(\text{aq}) \\ \mathrm{HPO}_4^{2-}(\text{aq}) &\rightleftharpoons \mathrm{H}^{+} + \mathrm{PO}_4^{3-}(\text{aq}) \end{aligned}

Quando o hidrogenofosfato de sódio (Na₂HPO₄) está em solução aquosa, ocorrem as seguintes dissociações:

\begin{aligned} \mathrm{Na}_2\mathrm{HPO}_4(\text{aq}) &\rightarrow 2\mathrm{Na}^{+} + H^{+} + \mathrm{HPO}_4^{2-}(\text{aq}) \\ \mathrm{HPO}_4^{2-}(\text{aq}) &\rightleftharpoons \mathrm{H}^{+} + \mathrm{PO}_4^{3-}(\text{aq}) \end{aligned}

Quando adicionamos o hidróxido de sódio (NaOH) na solução, ocorrerá a neutralização das espécies ácidas conforme equações abaixo:

\begin{aligned} \mathrm{NaOH}(\text{aq}) &\rightarrow \mathrm{Na}^{+} + \mathrm{OH}^{-} \\ \mathrm{OH}^{-} + \mathrm{H}^{+} &\rightleftharpoons \mathrm{H}_2\mathrm{O}(\text{l}) \end{aligned}

1.2 Objetivos

O objetivo do experimento é determinar a concentração de ácido fosfórico e hidrogenofosfato de sódio em uma amostra utilizando-se a técnica de titulação potenciométrica com medidas de pH com eletrodo de vidro combinado.

Parte experimental

2.1 Instrumentação

2.1.1 Instrumentos para a padronização do hidróxido de sódio

• Agitador magnético
• Balança analítica
• Balão volumétrico de 200ml
• Base universal e fixadores de vidraria
• Bureta de 50ml
• Erlenmeyer de 250ml
• Pipeta volumétrica de 10ml

2.1.2 Instrumentos para a titulação potenciométrica

• Agitador magnético
• Base universal e fixadores de vidraria
• Béquer
• Bureta de 50 ml
• pHmetro com eletrodo de vidro combinado
• Pipeta volumétrica de 20 ml

2.2 Reagentes e materiais

2.2.1 Reagentes para a padronização do hidróxido de sódio

• Fenolftaleína
• Ftalato ácido de potássio
• Hidróxido de sódio

2.2.2 Reagentes para a titulação potenciométrica

• Hidróxido de sódio padronizado

2.3 Procedimento

2.3.1 Procedimento da padronização do hidróxido de sódio

1. Calcular a quantidade de hidróxido de sódio PA necessária para a concentração desejada.
2. Pesar o hidróxido de sódio em balança analítica.
3. Dissolver em balão volumétrico o NaOH PA em água pré fervida e reservar.
4. Calcular a massa de ftalato ácido de potássio necessária para utilizar meia bureta na concentração aproximada, preparada no item anterior, do NaOH.
5. Pesar a massa de ftalato ácido de potássio em balança analítica.
6. Dissolver o ftalato ácido de potássio em um erlenmeyer com 100ml de água destilada.
7. Pingar 5 gotas de fenolftaleína no erlenmeyer
8. Titular com a solução preparada de NaOH sob agitação.
9. Calcular a concentração de hidróxido a partir dos dados da titulação.

2.3.2 Procedimento da titulação potenciométrica

1. o pHmetro com soluções tampão (pH 4 e pH 7)
2. Transferir 60ml da amostra para um béquer
3. Encher a bureta com a solução de NaOH padronizado e deixá-la preparada para a titulação
4. Introduzir o pHmetro na solução de amostra
5. Titular sob agitação anotando os valores de pH em intervalos apropriados de adição do titulante (NaOH)
6. Construir o gráfico da titulação usando os dados anotados
7. Calcular os pontos de inflexão pelo método das derivadas e calcular as concentrações das espécies

3. Resultados e discussão

3.1 Dados coletados e gráficos

Os valores de pH obtidos durante o experimento encontram-se na Tabela I (anexa ao final do relatório), enquanto que o gráfico construído com esses valores encontra-se abaixo:

Figura 3.1: dados obtidos na titulação.
As linhas tracejadas indicam o ponto de equivalência (pH = 9,07; volume de titulante = 28,1ml).

Traçamos as derivadas primeira e segunda para obter o ponto de equivalência com maior exatidão:

Figura 3.2: derivadas [1]
A linha tracejada indica o ponto de equivalência.

A análise dos gráficos mostra que o ponto de equivalência ocorre quando o volume de titulante é de 28,1ml e, neste momento, o pH é 9,07.

Antes de iniciar os cálculos, analisamos as curvas de distribuição do ácido fosfórico (Figura 3.3) para sabermos a composição da amostra no início do processo e no ponto de equivalência.

Figura 3.3: distribuição do ácido fosfórico [1]
As linhas tracejadas indicam o pH inicial da titulação (pH = 6,83) e o ponto de equivalência (pH = 9,07).

Vemos que, no ponto de equivalência, há predomínio de HPO₄²⁻. Este HPO₄²⁻ foi formado pois havia H₂PO₄²⁻ na amostra e, com a neutralização dos H⁺ pelo NaOH o equilíbrio deslocou-se para o sentido de formação do HPO₄²⁻. Assim, podemos fazer os cálculos e obter a concentração de H₂PO₄²⁻ na amostra.

Sabendo que o NaOH foi padronizado em 0,1010M, podemos concluir que foram necessários 2,84×10⁻³ mol para neutralizar os H⁺ e formar HPO₄²⁻. Então, a concentração do H₂PO₄²⁻ será de 4,73×10⁻².

3.2 Discussões

Principais fontes de erros: transferências de volume (pipetas volumétricas e balões volumétricos) sem o fator de correção da calibração. O pHmetro, que teve problemas de calibração. O ponto de viragem da fenolftaleína na padronização do NaOH . Erros de paralaxe na leitura da bureta. A construção do gráfico com dados discretos, ou seja, não contínuas. Porém, mesmo assim, esta titulação apresenta um bom resultado na faixa de concentração de mmol.

3.3 Comparações

Comparando-se os resultados reais obtidos na titulação com os dados obtidos em simulação no software CurTiPot [1] observamos o seguinte:

Figura 3.4: comparação da titulação real com uma simulação [1]
As linhas tracejadas marcam os pontos de equivalência.

Esta comparação nos mostra que, possivelmente, ocorreu um erro durante a titulação, porém o erro não afetou o ponto de equivalência e, consequentemente, não afetou o resultado. Supomos que tal erro seja causado pela calibração do pHmetro.

Esta técnica, comparada a titulação com o uso de indicadores de cor é mais precisa e exata, porém, se comparada à técnica automatizada também potenciométrica, esta ainda deixa a desejar em seus resultados. Sendo que, para o aprendizado acadêmico, é apropriada e suas limitações são aceitáveis. Sugerimos um aperfeiçoamento na técnica que é conectar um registrador gráfico ao pHmetro e o uso de uma bureta digital. Sugerimos também que não seja mudado, de última hora, a composição da amostra, trocando as espécies a serem analisadas, conforme ocorrido; esperávamos ácido fosfórico e dihidrogenofosfato de sódio, mas a amostra continha ácido fosfórico e hidrogenofosfato de sódio.

4. Conclusões

Concluímos que o experimento foi válido para o aprendizado a pesar das diferentes dificuldades na execução sendo de grande valia para uma ampla faixa de titulações.

5. Referências

[1] GUTZ, Ivano G. R. CurTiPot.xls. São Paulo, 17 de janeiro de 2007. 1 arquivo (1,2MB). MS Excel.

[2] WOLFRAM RESEARCH, INC. Mathematica 5.0. Champaign, USA, 2003. Software

Tabela 1: Valores de pH obtidos durante a titulação.