titulaciones Ácido-base a microescala …sensor de ph en base de membrana de vidrio, las que son...

REVISTA CHILENA DE EDUCACIÓN CIENTÍFICA

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REV. CHIL. EDUC. CIENT; 2, [2], 2004

Resumen

El siguiente trabajo se realiza en el contexto dela microescala química. Se muestran curvas detitulación micropotenciométrica pH =f(volumenNaOH 0.1063mol L-1) usando dos microsensoresde pH, polianilina (PANI) y W/WO3 contra unmicrolectrodo de referencia Cu/ Cu+2. Los datosde potencial son registrados con un sensor devoltaje y asistidos computacionalmente usandoel software Data Studio (DS). El punto deequivalencia se obtiene aplicando la primera ysegunda derivada con herramientas del DS.

Para validar los resultados obtenidos secomparan con curvas de titulación usando unsensor de pH en base de membrana de vidrio,las que son similares a las curvas de titulaciónmicropotenciométricas obtenidas.

Abstract

This work is developed in the context ofmicroescale chemistry. Titration plotsmicropotenciometric pH = f(volumen NaOH0.1063mol L-1)) using two microsensors of pH,polyamime (PANI) , W/WO3 and microelectrodereference Cu/Cu2+ are shown. These results areobtained with voltage sensor and assisted witha PC using the software Data Studio. The pointof equivalence is obtained with first and secondderivate data processing with program tools ofDS. The validation these results are comparedwith plots of titration using a pH glass electrode,this results obtained are the same to the onesc u r v e s o b t a i n e d b y t i t u l a t i o nmicropotenciometrics showed in this paper.

Juan Vargas M., Alejandro Baeza (*)., Tatiana Urzúa Ll., Jorge Rodríguez B., Lizethly Cáceres J.

Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación, Casilla 147 / Santiago Chile/ [email protected] / (*) Universidad Autónoma de México. México.

Introducción

Se presenta una aplicación de la microescalaquímica (Ibáñez, 1999) en una titulación ácido-base, tema recurrente en el currículo del pre-gradouniversitario, usando microsensores de pH y unmicroelectrodo de referencia de bajo costo y parala adquisición de datos, tecnologías de últimageneración, como es el uso de un sensor de voltaje,una interface electrónica , PC y el software DataStudio (DS). Las titulaciones ácido-base conmonitoreo potenciométrico para el estudio deprocesos en solución se ve limitada por el alto costode los sensores de pH a base de membrana devidrio, además de involucrar volúmenes mayoresde 30 mL. Por otra parte, si bien el electrodo devidrio es muy eficiente en soluciones acuosasdiluídas no es posible miniaturizar membranas devidrio y los ultramicroelectrodos de pH a base deintercambiadores líquidos tienen un costo muyelevado (Baeza, 2003). Desde la década de los años50 se han desarrollado nuevos sensores de pHutilizando los óxidos metálicos de diferenteselementos (Ricketts y Bowen1960) siendomateriales de fácil adquisición. También se hanobtenidos polímeros como excelentes sensores depH (Charles, Euler y Ren, 1994).

TITULACIONES ÁCIDO-BASE A MICROESCALAQUÍMICA USANDO MICROSENSORES DE pH YMICROELECTRODO DE REFERENCIA: ADQUISICIÓNDE DATOS CON NUEVAS TECNOLOGÍAS

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Metodología

Se desarrolla el diseño de: a) Una microburetade 2 mL utilizando una pipeta de 2 mL en cuyaparte superior se conecta una jeringa desechablede 5 mL con el objeto de succionar disolución ytitular. Con la finalidad de regular el goteo, enla punta de la pipeta se coloca una punta depipeta automática (Fig. 1a); b) Un microelectrodode referencia Cu/Cu2+ el cual se construye conun alambre de Cu sumergido en una disoluciónde sulfato de cobre 1 mol L-1 usando una puntade una pipeta automática y en la punta unalgodón Fig. 1b; c) microsensores de pH deW/WO3 (pureza > 99%) Fig. 1b; y poliamina(PANI) soportado en un barra de grafito. Esteúltimo se obtiene de la polimerización de 100mL de anilina en medio de 5 ml de H2SO4 0.1mol/L-1 utilizando como cátodo y ánodo barrasde grafitos de 0.5 mm de diámetro y con unvoltaje de 9 V durante 20 s. (Charles, Euler yRen, 1994). La calibración de estosmicroelectrodos se realiza con buffers de pH 2,4, 6, 8 y 10 utilizando los siguientes sistemas:


pH=2, con glicina 0.1 mol L-1 ajustando a estepH con ácido clorhídrico 1 mol L-1; pH=4, conbiftalato de potasio 0.1 mol L-1 sin ajustar;pH=6, con fosfato ácido de potasio y fosfatomonobásico de sodio, 0.1 mol L-1 cada uno,ajustando con HCl 1 mol L-1; pH=8, con unadisolución de tetraborato de sodio 0.05 mol L-1

ajustando con HCl 1 mol L-1; pH=10, con unamezcla de cloruro de amonio 0.1 mol L-1 yamoníaco 0.1 mol L-1.

Con el sistema calibrado, se titula una muestraHCl de concentración aproximada 0.1 mol L-1

con hidróxido de sodio estandarizado 0.1063mol L-1. El registro del potencial en función delvolumen de base agregada, se hace con un sensorde voltaje, una interface electrónica 750 y elprograma Data Studio (DS) versión 2.8.5,PASCO. El montaje se muestra en la Fig. 1c.

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Fig. 1c

Fig. 1b

1: Bureta2: W/WO33: Cu/Cu2+

Fig. 1a

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Una vez calibrado cada uno de estos sistemasse procedió a titular una muestra de HCl deuna concentración aproximada de 0.1 mol L-1

con NaOH previamente estandarizado (cNaOH0.1063 mol L-1). La figura 4 muestra la curvade titulación utilizando el microsensor de pHPANI y el microelectrodo de referencia Cu/Cu2+.

Fig. 4. Microsensor de pH PANI y microelectrodo dereferencia Cu/Cu2+ Titulación de HCl con solución

estandarizada de NaOH.

La figura 5 muestra la primera derivada ysegunda derivada de la titulación anteriorobtenidas con herramientas del software DS lasque permiten obtener el punto de equivalenciade la titulación. Con dicho punto se puede calcularla concentración exacta del HCl la cual fue de0.1032 mol L-1.

Fig. 5. Determinación del punto de equivalencia de latitulación con primera y segunda derivada.

Resultados y discusión

Los gráficos Fig. 2 y 3 muestran la calibraciónde ambos microelectrodos de pH contra el microelectrodo de referencia Cu/Cu2+. y W/ W03 .

En la calibración de ambos microelectrodos depH, se encuentra un comportamiento típicosegún la ecuación de Nikolsky con coeficiente decorrelación mayor de 0.99.

Las ecuaciones lineales correspondientes deE=f(pH) obtenidas en el proceso de calibración,serán utilizadas posteriormente para que losgráficos de las curvas de titulación ácido-basepuedan transformarse de E=f(VNaOH) aph=f(VNaOH).

Fig. 2. Curva de calibración del microsensor de pH PANIusando microelectrodo de referencia Cu/Cu2+.

Fig. 3. Curva de calibración del microsensor de pH W/WO3usando microelectrodo de referencia Cu/Cu2+.

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Fig. 7. Determinación del punto de equivalencia de latitulación con primera y segunda derivada.

I S S N 0 7 1 7 - 9 6 1 8

De la misma forma se procedió utilizando elmicrosensor de pH de W/W0 3 y e lmicroelectrodo de Cu/Cu2+. La curva detitulación correspondiente se muestra en lafig. 6.

Fig. 6. Curva de titulación microsensor de pH W/WO3 ymicroelectrodo de referencia Cu/Cu2+

La figura 7 muestra la primera y segundaderivada de ésta curva de titulación, obtenidacon las herramientas del software DS las quepermiten obtener el punto de equivalencia dela titulación. Con dicho punto se puede calcularla concentración exacta del HCl la cual fue de0.10045 mol L-1


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Los resultados para las curvas de titulaciónde pH en función del volumen hidróxido desodio agregado utilizando material de bajocosto y nuevas tecnologías, son los mismos alos obtenidos usando material tradicionaljunto con el electrodo de membrana de vidrio.

El uso de las nuevas tecnologías y el softwarepermite repetir el experimento, obtener enforma rápida y confiable la adquisición dedatos y un análisis detallado de ellosobteniéndose con mucha precisión el puntode equivalencia.

Con la finalidad de validar los resultadosobtenidos se obtuvo la curva de titulaciónusando un electrodo normal de membrana devidrio y se comparó con los sistemas estudiados.La Fig. 8 muestra este resultado para elmicrosensor de pH PANI.

Fig. 8. Comparación de resultados sensor de pH (electrodode vidrio) y microsensor de pH PANI (microelectrodo dereferencia Cu/Cu2+).

Resultado similar se obtuvo para el microsensorde pH de W/WO3.

Conclusiones

Este trabajo muestra la factibilidad de realizaren la docencia de pregrado, titulacionesmicropotenciométricas ácido-base conmateriales de bajo costo usando microescalaquímica, para la adquisición de datos el usode tecnologías de última generación y parael análisis detallado de los mismos el softwareDS. Bajo el paradigma constructivista, losalumnos tienen la posibilidad de diseñar suspropios materiales, realizar las medicionesfísicas correspondientes, la calibraciónquímica de los microsensores de pHconstruidos y la validación de sus resultadoscon el electrodo de membrana de vidrio. Eldiseño de la microbureta permite reducir enforma significativa los desechos al medioambiente, al reemplazar una bureta normalde 50 mL por una de 2 mL; permite crearconciencia en los alumnos sobre la valoracióndel medio ambiente formando valores yactitudes positivas. Los costos con el sistematradicional son mínimos lo que permitemasificar el experimento de modo que cadaalumno cuente con su propio equipamiento.

Bibliografía

Baeza A., Rev. Chil. Educ. Cient. 2 [1], p. 16-19,2003.

Charles,S,B., Euler B,W., Ren F, R.J.Chem. Ed. 71,4,p. A94, 1994.

Ibañez J. Educación Química , 10, [2], p.102, 1999.

Ricketts J. A., Bowen R. E.J. Chem. Ed. 3 [79] p.473-475, 1960.

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